Transferencia de energía inalámbrica

Base de carga inductiva para un teléfono inteligente como ejemplo de transferencia inalámbrica de campo cercano. Cuando el teléfono se coloca en la almohadilla, una bobina en la almohadilla crea un campo magnético ^[1] que induce una corriente en otra bobina, en el teléfono, cargando su batería.

La transferencia de energía inalámbrica ( WPT ), la transmisión de energía inalámbrica , la transmisión de energía inalámbrica ( WET ) o la transferencia de energía electromagnética es la transmisión de energía eléctrica sin cables como enlace físico. En un sistema de transmisión de energía inalámbrico, un dispositivo transmisor, impulsado por energía eléctrica de una fuente de energía , genera un campo electromagnético variable en el tiempo , que transmite energía a través del espacio a un dispositivo receptor, que extrae energía del campo y la suministra a un sistema eléctrico. carga. La tecnología de transmisión de energía inalámbrica puede eliminar el uso de cables y baterías, aumentando así la movilidad, conveniencia y seguridad de un dispositivo electrónico para todos los usuarios. ^{[2] La} transferencia de energía inalámbrica es útil para alimentar dispositivos eléctricos donde los cables de interconexión son inconvenientes, peligrosos o no son posibles.

Las técnicas de energía inalámbrica se dividen principalmente en dos categorías, campo cercano y campo lejano . En técnicas de campo cercano o no radiativas , la energía se transfiere a distancias cortas mediante campos magnéticos que utilizan un acoplamiento inductivo entre bobinas de alambre , o mediante campos eléctricos que utilizan un acoplamiento capacitivo entre electrodos metálicos . ^{[3] [4] [5] [6]} El acoplamiento inductivo es la tecnología inalámbrica más utilizada; sus aplicaciones incluyen la carga de dispositivos portátiles como teléfonos y cepillos de dientes eléctricos ,Etiquetas RFID , cocción por inducción y carga inalámbrica o transferencia de energía inalámbrica continua en dispositivos médicos implantables como marcapasos cardíacos artificiales o vehículos eléctricos . ^[7]

En las técnicas de campo lejano o radiativas , también llamadas transmisión de energía , la energía se transfiere mediante haces de radiación electromagnética , como microondas ^[8] o rayos láser . Estas técnicas pueden transportar energía a distancias más largas, pero deben estar dirigidas al receptor. Las aplicaciones propuestas para este tipo son satélites de energía solar y aviones no tripulados de propulsión inalámbrica . ^{[9] [10] [11]}

Un problema importante asociado con todos los sistemas de energía inalámbricos es limitar la exposición de las personas y otros seres vivos a campos electromagnéticos potencialmente dañinos . ^{[12] [13]}

Resumen

Más información: Acoplamiento (electrónica)

Diagrama de bloques genérico de un sistema de energía inalámbrico

La transferencia de energía inalámbrica es un término genérico para varias tecnologías diferentes para transmitir energía por medio de campos electromagnéticos . ^{[14] [15] [16]} Las tecnologías, enumeradas en la siguiente tabla, difieren en la distancia a la que pueden transferir energía de manera eficiente, si el transmisor debe apuntar (dirigir) al receptor y en el tipo de energía electromagnética utilizan: campos eléctricos variables en el tiempo , campos magnéticos , ondas de radio , microondas , ondas de luz infrarroja o visible . ^[17]

En general, un sistema de energía inalámbrico consiste en un dispositivo "transmisor" conectado a una fuente de energía, como una línea de energía eléctrica, que convierte la energía en un campo electromagnético variable en el tiempo, y uno o más dispositivos "receptores" que reciben la energía. y conviértalo de nuevo a corriente eléctrica CC o CA que es utilizada por una carga eléctrica . ^{[14] [17]} En el transmisor, la potencia de entrada se convierte en un campo electromagnético oscilante mediante algún tipo de dispositivo de " antena ". La palabra "antena" se utiliza aquí de forma vaga; puede ser una bobina de alambre que genera un campo magnético , una placa de metal que genera un campo eléctrico ,una antenaque irradia ondas de radio, o un láser que genera luz. Una antena similar o un dispositivo de acoplamiento en el receptor convierte los campos oscilantes en una corriente eléctrica. Un parámetro importante que determina el tipo de ondas es la frecuencia , que determina la longitud de onda.

La energía inalámbrica usa los mismos campos y ondas que los dispositivos de comunicación inalámbrica como la radio , ^{[18] [19]} otra tecnología familiar que involucra energía eléctrica transmitida sin cables por campos electromagnéticos, utilizada en teléfonos celulares , radiodifusión de radio y televisión y WiFi . En la comunicación por radio el objetivo es la transmisión de información, por lo que la cantidad de energía que llega al receptor no es tan importante, siempre que sea suficiente para que la información se pueda recibir de forma inteligible. ^{[15] [18] [19]} En las tecnologías de comunicación inalámbrica, solo pequeñas cantidades de energía llegan al receptor. Por el contrario, con la transferencia de energía inalámbrica, la cantidad de energía recibida es lo importante, por lo que la eficiencia (fracción de energía transmitida que se recibe) es el parámetro más significativo. ^[15] Por esta razón, es probable que las tecnologías de energía inalámbrica estén más limitadas por la distancia que las tecnologías de comunicación inalámbrica.

La transferencia de energía inalámbrica se puede utilizar para encender transmisores o receptores de información inalámbricos. Este tipo de comunicación se conoce como comunicación inalámbrica (WPC). Cuando la energía recolectada se utiliza para suministrar energía a los transmisores de información inalámbricos, la red se conoce como Transferencia de energía e información inalámbrica simultánea (SWIPT); ^[20] mientras que cuando se utiliza para suministrar energía a los receptores de información inalámbricos, se conoce como Red de comunicación inalámbrica alimentada (WPCN). ^{[21] [22] [23]}

Estas son las diferentes tecnologías de energía inalámbrica: ^{[14] [17] [24] [25]}

Tecnología	Alcance [26]	Directividad [17]	Frecuencia	Dispositivos de antena	Aplicaciones actuales y / o posibles futuras
Acoplamiento inductivo	Corto	Bajo	Hz - MHz	Bobinas de alambre	Carga de batería de cepillo de dientes eléctrico y maquinilla de afeitar, placas de inducción y calentadores industriales.
Acoplamiento inductivo resonante	Medio-	Bajo	kHz - GHz	Bobinas de alambre sintonizadas, resonadores de elementos agrupados	Carga de dispositivos portátiles ( Qi ), implantes biomédicos, vehículos eléctricos, alimentación de autobuses, trenes, MAGLEV, RFID , tarjetas inteligentes .
Acoplamiento capacitivo	Corto	Bajo	kHz - MHz	Electrodos de placa de metal	Carga de dispositivos portátiles, enrutamiento de energía en circuitos integrados a gran escala, tarjetas inteligentes, implantes biomédicos. [4] [5] [6]
Acoplamiento magnetodinámico	Corto	N / A	Hz	Imanes giratorios	Carga de vehículos eléctricos, [25] implantes biomédicos. [27]
Microondas	Largo	Elevado	GHz	Platos parabólicos, arrays en fase , rectennas	Satélite de energía solar , alimentación de aviones no tripulados, carga de dispositivos inalámbricos
Ondas de luz	Largo	Elevado	≥THz	Láseres, fotocélulas, lentes	Carga de dispositivos portátiles, [28] propulsión de aviones no tripulados, alimentación de escaladores de ascensores espaciales.

Regiones de campo

Los campos eléctricos y magnéticos son creados por partículas cargadas en materia como los electrones . Una carga estacionaria crea un campo electrostático en el espacio que la rodea. Una corriente constante de cargas ( corriente continua, CC) crea un campo magnético estático a su alrededor. Los campos anteriores contienen energía , pero no pueden transportar energía porque son estáticos. Sin embargo, los campos que varían en el tiempo pueden llevar energía. ^[29] Cargas eléctricas aceleradas, como las que se encuentran en una corriente alterna.(CA) de electrones en un cable, crean campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo en el espacio que los rodea. Estos campos pueden ejercer fuerzas oscilantes sobre los electrones en una "antena" receptora, haciendo que se muevan hacia adelante y hacia atrás. Estos representan corriente alterna que se puede utilizar para alimentar una carga.

Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes que rodean las cargas eléctricas en movimiento en un dispositivo de antena se pueden dividir en dos regiones, dependiendo del _rango de distancia D de la antena. ^{[14] [17] [18] [24] [30] [31] [32]} El límite entre las regiones está definido de forma algo vaga. ^[17] Los campos tienen diferentes características en estas regiones, y se utilizan diferentes tecnologías para transferir energía:

• Región de campo cercano o no radiante : esto significa el área dentro de aproximadamente 1 longitud de onda ( λ ) de la antena. ^{[14] [30] [31]} En esta región los campos eléctricos y magnéticos oscilantesestán separados ^[18] y la energía se puede transferir a través de campos eléctricos mediante acoplamiento capacitivo ( inducción electrostática ) entre electrodos metálicos, ^{[3] [4] [5 ] [6]} o mediante campos magnéticos mediante acoplamiento inductivo ( inducción electromagnética ) entre bobinas de alambre. ^{[15][17] [18] [24]} Estos campos no son radiativos , ^{[31] lo que} significa que la energía permanece a una corta distancia del transmisor. ^[33] Si no hay ningún dispositivo receptor o material absorbente dentro de su rango limitado para "acoplarse", no sale energía del transmisor. ^[33] El rango de estos campos es corto y depende del tamaño y la forma de los dispositivos de "antena", que generalmente son bobinas de alambre. Los campos, y por lo tanto la potencia transmitida, disminuyen exponencialmente con la distancia, ^{[30] [32] [34]} por lo que si la distancia entre las dos "antenas" _rango D es mucho mayor que el diámetro de la " D _{ant se} recibirá muy poca potencia. Por lo tanto, estas técnicas no se pueden utilizar para la transmisión de potencia de largo alcance.

La resonancia , como el acoplamiento inductivo resonante , puede aumentar el acoplamiento entre las antenas en gran medida, lo que permite una transmisión eficiente a distancias algo mayores, ^{[14] [18] [24] [30] [35] [36]} aunque los campos aún disminuyen exponencialmente. Por lo tanto, la gama de dispositivos de campo cercano se divide convencionalmente en dos categorías:

• De corto alcance - hasta diámetro alrededor de una antena: D _gama  ≤  D _hormiga . ^{[33] [35] [37]} Este es el rango sobre el cual el acoplamiento capacitivo o inductivo no resonante ordinario puede transferir cantidades prácticas de potencia.
• Rango medio : hasta 10 veces el diámetro de la antena: _rango D  ≤ 10 D _ant . ^{[35] [36] [37] [38]} Este es el rango sobre el cual el acoplamiento capacitivo o inductivo resonante puede transferir cantidades prácticas de potencia.

• Campo lejano o región radiativa : más allá de aproximadamente 1 longitud de onda ( λ ) de la antena, los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y se propagan como una onda electromagnética ; ejemplos son ondas de radio , microondas u ondas de luz . ^{[14] [24] [30]} Esta parte de la energía es radiativa , ^[31]lo que significa que sale de la antena ya sea que haya o no un receptor para absorberlo. La porción de energía que no llega a la antena receptora se disipa y se pierde en el sistema. La cantidad de potencia emitida como ondas electromagnéticas por una antena depende de la relación entre el tamaño de la antena D _ant y la longitud de onda de las ondas λ , ^[39] que está determinada por la frecuencia: λ  =  c / f . A bajas frecuencias f donde la antena es mucho más pequeña que el tamaño de las ondas, D _ant  <<  λ, se irradia muy poca energía. Por lo tanto, los dispositivos de campo cercano anteriores, que usan frecuencias más bajas, no irradian casi nada de su energía como radiación electromagnética. Las antenas aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de onda D _ant  ≈  λ , como las antenas monopolo o dipolo , irradian energía de manera eficiente, pero las ondas electromagnéticas se irradian en todas las direcciones ( omnidireccionalmente ), por lo que si la antena receptora está lejos, solo una pequeña cantidad de la radiación lo golpeará. ^{[31] [35]} Por lo tanto, se pueden utilizar para transmisiones de potencia ineficientes y de corto alcance, pero no para transmisiones de largo alcance. ^[40]

Sin embargo, a diferencia de los campos, la radiación electromagnética se puede enfocar por reflexión o refracción en haces. Mediante el uso de una antena de alta ganancia o un sistema óptico que concentra la radiación en un haz estrecho dirigido al receptor, se puede utilizar para la transmisión de potencia de largo alcance . ^{[35] [40]} Según el criterio de Rayleigh , para producir los haces estrechos necesarios para enfocar una cantidad significativa de energía en un receptor distante, una antena debe ser mucho más grande que la longitud de onda de las ondas utilizadas: D _ant  >>  λ  =  c / f . ^[41] PrácticoLos dispositivos de potencia de haz requieren longitudes de onda en la región de centímetros o por debajo, correspondientes a frecuencias por encima de 1 GHz, en el rango de microondas o por encima. ^[14]

Técnicas de campo cercano (no radiativas)

A gran distancia relativa, los componentes de campo cercano de los campos eléctricos y magnéticos son campos dipolares oscilantes aproximadamente cuasiestáticos . Estos campos disminuyen con el cubo de la distancia: ( D _gama / D _hormiga ) ^{-3 [32] [42]} Dado que la potencia es proporcional al cuadrado de la intensidad de campo, la potencia transferida disminuye a medida ( D _gama / D _hormiga ) ^-6 . ^{[18] [34] [43] [44]} o 60 dB por década. En otras palabras, si están muy separados, duplicar la distancia entre las dos antenas hace que la potencia recibida disminuya en un factor de 2 ⁶= 64. Como resultado, el acoplamiento inductivo y capacitivo solo se puede utilizar para la transferencia de potencia de corto alcance, dentro de unas pocas veces el diámetro del dispositivo de antena D _ant . A diferencia de un sistema radiativo donde la máxima radiación ocurre cuando las antenas dipolo están orientadas transversalmente a la dirección de propagación, con los campos dipolo el acoplamiento máximo ocurre cuando los dipolos están orientados longitudinalmente.

Acoplamiento inductivo

Diagrama de bloques genérico de un sistema de energía inalámbrico inductivo

(izquierda) Transferencia de energía inductiva moderna, un cargador de cepillo de dientes eléctrico. Una bobina en el soporte produce un campo magnético que induce una corriente alterna en una bobina del cepillo de dientes, que se rectifica para cargar las baterías.
(derecha) Una bombilla alimentada de forma inalámbrica por inducción, en 1910.

En el acoplamiento inductivo ( inducción electromagnética ^{[24] [45]} o transferencia de potencia inductiva , IPT), la potencia se transfiere entre bobinas de alambre mediante un campo magnético . ^[18] Las bobinas del transmisor y el receptor juntas forman un transformador ^{[18] [24]} (ver diagrama) . Una corriente alterna (CA) a través de la bobina del transmisor (L1) crea un campo magnético oscilante (B) según la ley de Ampere . El campo magnético pasa a través de la bobina receptora (L2), donde induce un EMF ( voltaje ) alterno por la ley de inducción de Faraday , que crea una corriente alterna en el receptor. ^{[15] [45]} La corriente alterna inducida puede impulsar la carga directamente o rectificarse a corriente continua (CC) mediante un rectificador en el receptor, que impulsa la carga. Algunos sistemas, como los soportes de carga de cepillos de dientes eléctricos, funcionan a 50/60 Hz, por lo que la corriente de la red de CA se aplica directamente a la bobina del transmisor, pero en la mayoría de los sistemas un oscilador electrónicogenera una corriente CA de frecuencia más alta que impulsa la bobina, porque la eficiencia de transmisión mejora con la frecuencia . ^[45]

El acoplamiento inductivo es la tecnología de energía inalámbrica más antigua y más utilizada, y prácticamente la única hasta ahora que se utiliza en productos comerciales. Se utiliza en soportes de carga inductiva para aparatos inalámbricos utilizados en entornos húmedos, como cepillos de dientes eléctricos ^[24] y máquinas de afeitar, para reducir el riesgo de descarga eléctrica. ^[46] Otra área de aplicación es la recarga "transcutánea" de dispositivos protésicos biomédicos implantados en el cuerpo humano, como marcapasos cardíacos y bombas de insulina , para evitar que los cables pasen a través de la piel. ^{[47] [48]} También se utiliza para cargarvehículos eléctricos como automóviles y para cargar o alimentar vehículos de tránsito como autobuses y trenes. ^[24]

Sin embargo, el uso de más rápido crecimiento son las almohadillas de carga inalámbrica para recargar dispositivos inalámbricos portátiles y móviles, como computadoras portátiles y tabletas , teléfonos celulares , reproductores de medios digitales y controladores de videojuegos . ^{[ cita requerida ]} En los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) proporcionó su primera certificación para un sistema de carga de transmisión inalámbrica en diciembre de 2017. ^[49]

La potencia transferida aumenta con la frecuencia ^[45] y la inductancia mutua entre las bobinas, ^[15] que depende de su geometría y de la distancia entre ellas. Una figura de mérito ampliamente utilizada es el coeficiente de acoplamiento . ^{[45] [50]} Este parámetro adimensional es igual a la fracción de flujo magnético a través de la bobina del transmisor que pasa a través de la bobina del receptor cuando L2 está en circuito abierto. Si las dos bobinas están en el mismo eje y están juntas de modo que todo el flujo magnético de pasa a través ,${\displaystyle M}$${\displaystyle D_{\text{range}}}$ ${\displaystyle k\;=\;M/{\sqrt {L_{1}L_{2}}}}$${\displaystyle L1}$${\displaystyle L2}$${\displaystyle L1}$${\displaystyle L2}$${\displaystyle k=1}$y la eficiencia del enlace se acerca al 100%. Cuanto mayor es la separación entre las bobinas, más campo magnético de la primera bobina pierde la segunda, y menor es la eficiencia del enlace, acercándose a cero en grandes separaciones. ^[45] La eficiencia del enlace y la potencia transferida son aproximadamente proporcionales a . ^[45] Para lograr una alta eficiencia, las bobinas deben estar muy juntas, una fracción del diámetro de la bobina , ^[45] normalmente en centímetros, ^[40] con los ejes de las bobinas alineados. Por lo general, se utilizan formas de bobinas anchas y planas para aumentar el acoplamiento. ^{[45] Los} núcleos de ferrita de "confinamiento de flujo" pueden confinar los campos magnéticos, mejorando el acoplamiento y reduciendo${\displaystyle k}$${\displaystyle k^{2}}$${\displaystyle D_{\text{ant}}}$ interferencia a la electrónica cercana, ^{[45] [47]} pero son pesados ​​y voluminosos por lo que los dispositivos inalámbricos pequeños a menudo usan bobinas de núcleo de aire.

El acoplamiento inductivo ordinario solo puede lograr una alta eficiencia cuando las bobinas están muy juntas, generalmente adyacentes. En la mayoría de los sistemas inductivos modernos se utiliza el acoplamiento inductivo resonante (descrito a continuación) , en el que se aumenta la eficiencia mediante el uso de circuitos resonantes . ^{[31] [36] [45] [51]} Esto puede lograr altas eficiencias a mayores distancias que el acoplamiento inductivo no resonante.

Prototipo de sistema de carga inductiva de coches eléctricos en el Salón del Automóvil de Tokio 2011

Puntos de carga inductiva Powermat en una cafetería. Los clientes pueden configurar sus teléfonos y computadoras para que se recarguen.

Tarjeta de acceso con alimentación inalámbrica.

GM EV1 y Toyota RAV4 EV cargando inductivamente en una estación Magne Charge ahora obsoleta

Acoplamiento inductivo resonante

Artículo principal: acoplamiento inductivo resonante

Más información: Bobina de Tesla § Transformador resonante

El acoplamiento inductivo resonante ( acoplamiento electrodinámico , ^[24] resonancia magnética fuertemente acoplada ^[35] ) es una forma de acoplamiento inductivo en el que la potencia se transfiere mediante campos magnéticos (B, verde) entre dos circuitos resonantes (circuitos sintonizados), uno en el transmisor. y uno en el receptor (ver diagrama a la derecha) . ^{[18] [24] [31] [46] [51]} Cada circuito resonante consiste en una bobina de alambre conectada a un capacitor , o una bobina autorresonante u otro resonador con capacitancia interna. Los dos están sintonizados para resonar al mismo tiempo.frecuencia resonante . La resonancia entre las bobinas puede aumentar en gran medida el acoplamiento y la transferencia de potencia, de forma análoga a la forma en que un diapasón vibrante puede inducir una vibración simpática en un diapasón distante sintonizado con el mismo tono.

Nikola Tesla descubrió por primera vez el acoplamiento resonante durante sus experimentos pioneros en la transferencia de energía inalámbrica a principios del siglo XX, ^{[52] [53] [54]} pero las posibilidades de usar el acoplamiento resonante para aumentar el rango de transmisión sólo se han explorado recientemente. ^[55] En 2007, un equipo dirigido por Marin Soljačić en el MIT utilizó dos circuitos sintonizados acoplados, cada uno hecho de una bobina de alambre autorresonante de 25 cm a 10 MHz para lograr la transmisión de 60 W de potencia en una distancia de 2 metros (6.6 ft) (8 veces el diámetro de la bobina) con una eficiencia de alrededor del 40%. ^{[24] [35] [46] [53] [56]}

El concepto detrás de los sistemas de acoplamiento inductivo resonante es que los resonadores de alto factor Q intercambian energía a un ritmo mucho más alto de lo que pierden energía debido a la amortiguación interna . ^[35] Por lo tanto, al usar resonancia, la misma cantidad de energía se puede transferir a mayores distancias, usando los campos magnéticos mucho más débiles en las regiones periféricas ("colas") de los campos cercanos. ^[35] El acoplamiento inductivo resonante puede lograr una alta eficiencia en rangos de 4 a 10 veces el diámetro de la bobina ( D _ant ). ^{[36] [37] [38]} Esto se denomina transferencia de "rango medio", ^[37]en contraste con el "corto rango" de transferencia inductiva no resonante, que puede lograr eficiencias similares solo cuando las bobinas son adyacentes. Otra ventaja es que los circuitos resonantes interactúan entre sí de manera mucho más intensa que con los objetos no resonantes, por lo que las pérdidas de potencia debidas a la absorción en objetos alejados cercanos son insignificantes. ^{[31] [35]}

Un inconveniente de la teoría del acoplamiento resonante es que en rangos cercanos cuando los dos circuitos resonantes están estrechamente acoplados, la frecuencia resonante del sistema ya no es constante sino que se "divide" en dos picos resonantes, ^{[57] [58] [59]} por lo que el la transferencia de potencia máxima ya no se produce en la frecuencia de resonancia original y la frecuencia del oscilador debe sintonizarse al nuevo pico de resonancia. ^{[36] [60]}

Actualmente, la tecnología resonante se está incorporando ampliamente en los sistemas de energía inalámbricos inductivos modernos. ^[45] Una de las posibilidades previstas para esta tecnología es la cobertura de energía inalámbrica del área. Una bobina en la pared o el techo de una habitación podría alimentar luces y dispositivos móviles de forma inalámbrica en cualquier lugar de la habitación, con una eficiencia razonable. ^[46] Un beneficio ambiental y económico de alimentar de forma inalámbrica dispositivos pequeños como relojes, radios, reproductores de música y controles remotos es que podría reducir drásticamente los 6 mil millones de baterías desechadas cada año, una gran fuente de desechos tóxicos y contaminación de las aguas subterráneas. ^[40]

Acoplamiento capacitivo

Artículo principal: acoplamiento capacitivo

El acoplamiento capacitivo, también denominado acoplamiento eléctrico, utiliza campos eléctricos para la transmisión de potencia entre dos electrodos (un ánodo y un cátodo ) formando una capacitancia para la transferencia de potencia. ^[61] En el acoplamiento capacitivo ( inducción electrostática ), el conjugado del acoplamiento inductivo , la energía se transmite por campos eléctricos ^{[3] [15] [4] [6]} entre electrodos ^[5] como placas metálicas. Los electrodos transmisor y receptor forman un condensador , con el espacio intermedio como eldieléctrico . ^{[5] [15] [18] [24] [47] [62]} Se aplica un voltaje alterno generado por el transmisor a la placa transmisora, y el campo eléctrico oscilante induce un potencial alterno en la placa receptora por inducción electrostática , ^{[ 15] [62]} que hace que fluya una corriente alterna en el circuito de carga. La cantidad de potencia transferida aumenta con la frecuencia ^[62] el cuadrado del voltaje y la capacitanciaentre las placas, que es proporcional al área de la placa más pequeña y (para distancias cortas) inversamente proporcional a la separación. ^[15]

Sistemas de energía inalámbricos capacitivos

Acoplamiento bipolar

Acoplamiento monopolar

El acoplamiento capacitivo solo se ha utilizado prácticamente en unas pocas aplicaciones de baja potencia, porque los voltajes muy altos en los electrodos necesarios para transmitir una potencia significativa pueden ser peligrosos, ^{[18] [24]} y pueden causar efectos secundarios desagradables como la producción de ozono nocivo . Además, a diferencia de los campos magnéticos, ^[35] los campos eléctricos interactúan fuertemente con la mayoría de los materiales, incluido el cuerpo humano, debido a la polarización dieléctrica . ^[47] Los materiales que intervienen entre o cerca de los electrodos pueden absorber la energía, en el caso de los humanos, posiblemente causando una exposición excesiva a campos electromagnéticos. ^[18] Sin embargo, el acoplamiento capacitivo tiene algunas ventajas sobre el acoplamiento inductivo. El campo está confinado en gran medida entre las placas del condensador, lo que reduce la interferencia, que en el acoplamiento inductivo requiere núcleos de ferrita de "confinamiento de flujo" pesados. ^{[15] [47]} Además, los requisitos de alineación entre el transmisor y el receptor son menos críticos. ^{[15] [18] [62] El} acoplamiento capacitivo se ha aplicado recientemente a la carga de dispositivos portátiles alimentados por batería ^[3] , así como a la carga o transferencia inalámbrica continua de energía en implantes biomédicos, ^{[4] [5] [6]} y se está considerando como medio de transferir energía entre capas de sustrato en circuitos integrados. ^[63]

Se han utilizado dos tipos de circuito:

• Diseño transversal (bipolar): ^{[4] [6] [64] [65]} En este tipo de circuito, hay dos placas transmisoras y dos placas receptoras. Cada placa transmisora ​​está acoplada a una placa receptora. El oscilador del transmisorimpulsa las placas del transmisor en fase opuesta (diferencia de fase de 180 °) mediante una tensión alterna alta, y la carga se conecta entre las dos placas receptoras. Los campos eléctricos alternos inducen potenciales alternos de fase opuesta en las placas receptoras, y esta acción de "empujar-tirar" hace que la corriente fluya hacia adelante y hacia atrás entre las placas a través de la carga. Una desventaja de esta configuración para la carga inalámbrica es que las dos placas del dispositivo receptor deben estar alineadas cara a cara con las placas del cargador para que funcione el dispositivo. ^[dieciséis]
• Diseño longitudinal (unipolar): ^{[15] [62] [65]} En este tipo de circuito, el transmisor y el receptor tienen solo un electrodo activo, y el suelo o un electrodo pasivo grande sirve como camino de retorno para la corriente. El oscilador del transmisor está conectado entre un electrodo activo y uno pasivo. La carga también está conectada entre un electrodo activo y uno pasivo. El campo eléctrico producido por el transmisor induce un desplazamiento de carga alterno en el dipolo de carga a través de inducción electrostática . ^[66]

Acoplamiento capacitivo resonante

La resonancia también se puede utilizar con acoplamiento capacitivo para ampliar el rango. A principios del siglo XX, Nikola Tesla hizo los primeros experimentos con acoplamiento inductivo y capacitivo resonante.

Acoplamiento magnetodinámico

En este método, la potencia se transmite entre dos armaduras giratorias , una en el transmisor y otra en el receptor, que giran sincrónicamente, acopladas por un campo magnético generado por imanes permanentes en las armaduras. ^[25] El inducido del transmisor gira ya sea por o como el rotor de un motor eléctrico , y su campo magnético ejerce un par sobre el inducido del receptor, girándolo. El campo magnético actúa como un acoplamiento mecánico entre las armaduras. ^[25] La armadura del receptor produce energía para impulsar la carga, ya sea girando un generador eléctrico separado o utilizando el propio inducido del receptor como rotor en un generador.

Este dispositivo se ha propuesto como una alternativa a la transferencia de potencia inductiva para la carga sin contacto de vehículos eléctricos . ^[25] Una armadura giratoria incrustada en el piso de un garaje o en la acera haría girar una armadura del receptor en la parte inferior del vehículo para cargar sus baterías. ^[25] Se afirma que esta técnica puede transferir energía a distancias de 10 a 15 cm (4 a 6 pulgadas) con alta eficiencia, más del 90%. ^{[25] [67]} Además, los campos magnéticos parásitos de baja frecuencia producidos por los imanes giratorios producen menos interferencia electromagnética.a los dispositivos electrónicos cercanos que los campos magnéticos de alta frecuencia producidos por los sistemas de acoplamiento inductivo. Un prototipo de sistema de carga de vehículos eléctricos ha estado en funcionamiento en la Universidad de British Columbia desde 2012. Sin embargo, otros investigadores afirman que las dos conversiones de energía (eléctrica a mecánica a eléctrica nuevamente) hacen que el sistema sea menos eficiente que los sistemas eléctricos como el acoplamiento inductivo. ^[25]

Transmisión de ondas Zenneck

Oruganti et al. Mostraron un nuevo tipo de sistema que utiliza ondas de tipo Zenneck , donde demostraron que era posible excitar ondas de tipo de onda Zenneck en interfaces planas de metal-aire y transmitir energía a través de obstáculos metálicos. ^{[68] [69] [70]} Aquí la idea es excitar una oscilación de carga localizada en la interfaz metal-aire, los modos resultantes se propagan a lo largo de la interfaz metal-aire. ^[71]

Técnicas de campo lejano (radiativo)

Los métodos de campo lejano logran rangos más largos, a menudo rangos de varios kilómetros, donde la distancia es mucho mayor que el diámetro de los dispositivos. Las antenas de alta directividad o la luz láser bien colimada producen un rayo de energía que puede adaptarse a la forma del área de recepción. La máxima directividad de las antenas está limitada físicamente por la difracción .

En general, la luz visible (de los láseres) y las microondas (de las antenas especialmente diseñadas) son las formas de radiación electromagnética que mejor se adaptan a la transferencia de energía.

Las dimensiones de los componentes pueden estar determinadas por la distancia del transmisor al receptor , la longitud de onda y el criterio de Rayleigh o límite de difracción , utilizado en el diseño de antena de radiofrecuencia estándar , que también se aplica a los láseres. El límite de difracción de Airy también se usa con frecuencia para determinar un tamaño de punto aproximado a una distancia arbitraria de la apertura . La radiación electromagnética experimenta menos difracción en longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas); así, por ejemplo, un láser azul se difracta menos que uno rojo.

El límite de Rayleigh (también conocido como límite de difracción de Abbe ), aunque originalmente se aplicó a la resolución de la imagen, se puede ver al revés y dicta que la irradiancia (o intensidad ) de cualquier onda electromagnética (como un rayo láser o de microondas) será reducido a medida que el haz diverge a lo largo de la distancia a una tasa mínima inversamente proporcional al tamaño de la apertura. Cuanto mayor sea la relación entre la apertura de una antena transmisora o la apertura de salida del láser y la longitud de onda de la radiación, más se puede concentrar la radiación en un haz compacto

La transmisión de energía de microondas puede ser más eficiente ^{[ aclaración necesaria ]} que los láseres, y es menos propensa a la atenuación atmosférica causada por el polvo o aerosoles como la niebla.

Aquí, los niveles de potencia se calculan combinando los parámetros anteriores y sumando las ganancias y pérdidas debidas a las características de la antena y la transparencia y dispersión del medio a través del cual pasa la radiación. Ese proceso se conoce como cálculo de un presupuesto de enlace .

Microondas

Representación de un artista de un satélite solar que podría enviar energía por microondas a una nave espacial o superficie planetaria.

La transmisión de energía a través de ondas de radio puede hacerse más direccional, lo que permite una transmisión de energía a mayor distancia, con longitudes de onda más cortas de radiación electromagnética, típicamente en el rango de microondas . ^[72] Se puede usar una rectenna para convertir la energía de microondas de nuevo en electricidad. Se han obtenido eficiencias de conversión de Rectenna superiores al 95%. ^{[ cita requerida ]} Se ha propuesto la transmisión de energía mediante microondas para la transmisión de energía desde los satélites de energía solar en órbita a la Tierra y se ha considerado la transmisión de energía a las naves espaciales que salen de la órbita. ^{[73] [74]}

La transmisión de energía por microondas tiene la dificultad de que, para la mayoría de las aplicaciones espaciales, los tamaños de apertura requeridos son muy grandes debido a la direccionalidad de la antena que limita la difracción . Por ejemplo, el estudio de 1978 de la NASA sobre satélites de energía solar requirió una antena transmisora ​​de 1 kilómetro de diámetro (0,62 millas) y una rectenna receptora de 10 kilómetros de diámetro (6,2 millas) para un haz de microondas a 2,45 GHz . ^[75] Estos tamaños se pueden reducir un poco utilizando longitudes de onda más cortas, aunque las longitudes de onda cortas pueden tener dificultades con la absorción atmosférica y el bloqueo del haz por la lluvia o las gotas de agua. Debido a la " maldición de la matriz reducida", no es posible hacer un haz más estrecho combinando los haces de varios satélites más pequeños.

Para aplicaciones terrestres, una matriz de recepción de 10 km de diámetro permite que se utilicen grandes niveles de potencia total mientras se opera a la baja densidad de potencia sugerida para la seguridad de la exposición electromagnética humana. Una densidad de potencia segura para las personas de 1 mW / cm ² distribuida en un área de 10 km de diámetro corresponde a un nivel de potencia total de 750 megavatios. Este es el nivel de potencia que se encuentra en muchas plantas de energía eléctrica modernas. A modo de comparación, una granja solar fotovoltaica de tamaño similar podría superar fácilmente los 10.000 megavatios (redondeados) en las mejores condiciones durante el día.

Después de la Segunda Guerra Mundial, que vio el desarrollo de emisores de microondas de alta potencia conocidos como magnetrones de cavidad , se investigó la idea de usar microondas para transferir energía. En 1964, se había demostrado un helicóptero en miniatura propulsado por microondas. ^[76]

El investigador japonés Hidetsugu Yagi también investigó la transmisión de energía inalámbrica utilizando una antena de matriz direccional que él diseñó. En febrero de 1926, Yagi y su colega Shintaro Uda publicaron su primer artículo sobre la matriz direccional sintonizada de alta ganancia ahora conocida como antena Yagi . Si bien no resultó ser particularmente útil para la transmisión de energía, esta antena de haz ha sido ampliamente adoptada en las industrias de radiodifusión y telecomunicaciones inalámbricas debido a sus excelentes características de rendimiento. ^[77]

La transmisión inalámbrica de alta potencia mediante microondas está bien probada. Se han realizado experimentos en decenas de kilovatios en Goldstone en California en 1975 ^{[78] [79] [80]} y más recientemente (1997) en Grand Bassin en Isla Reunión . ^[81] Estos métodos alcanzan distancias del orden de un kilómetro.

En condiciones experimentales, la eficiencia de conversión de microondas se midió en alrededor del 54% en un metro. ^[82]

Se ha sugerido un cambio a 24 GHz ya que se han realizado emisores de microondas similares a los LED con eficiencias cuánticas muy altas utilizando resistencia negativa , es decir, diodos Gunn o IMPATT, y esto sería viable para enlaces de corto alcance.

En 2013, el inventor Hatem Zeine demostró cómo la transmisión de energía inalámbrica usando antenas de arreglo en fase puede entregar energía eléctrica hasta 30 pies. Utiliza las mismas frecuencias de radio que WiFi. ^{[83] [84]}

En 2015, investigadores de la Universidad de Washington introdujeron la energía a través de Wi-Fi, que carga las baterías de forma gradual y funciona con cámaras sin batería y sensores de temperatura que utilizan transmisiones de enrutadores Wi-Fi. ^{[85] [86]} Se demostró que las señales de Wi-Fi alimentan sensores de cámara y temperatura sin batería a distancias de hasta 20 pies. También se demostró que el Wi-Fi se puede utilizar para cargar de forma inalámbrica baterías de celda de moneda de iones de litio e hidruro metálico de níquel a distancias de hasta 28 pies.

En 2017, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) certificó el primer transmisor de radiofrecuencia (RF) de campo medio de energía inalámbrica. ^[87]

Láseres

Un rayo láser centrado en un panel de células fotovoltaicas proporciona suficiente energía a un modelo de avión ligero para que vuele.

En el caso de la radiación electromagnética más cercana a la región visible del espectro (0,2 a 2 micrómetros ), la potencia se puede transmitir convirtiendo la electricidad en un rayo láser que se recibe y se concentra en células fotovoltaicas (células solares). ^{[88] [89]} Este mecanismo se conoce generalmente como "transmisión de energía" porque la energía se transmite a un receptor que puede convertirla en energía eléctrica. En el receptor, se aplican convertidores de potencia láser fotovoltaicos especiales que están optimizados para la conversión de luz monocromática. ^[90]

Las ventajas en comparación con otros métodos inalámbricos son: ^[91]

• La propagación del frente de onda monocromática colimada permite un área de sección transversal del haz estrecho para la transmisión a grandes distancias. Como resultado, hay poca o ninguna reducción de potencia al aumentar la distancia del transmisor al receptor.
• Tamaño compacto: los láseres de estado sólido se adaptan a productos pequeños.
• Sin interferencias de radiofrecuencia en las comunicaciones por radio existentes, como Wi-Fi y teléfonos móviles.
• Control de acceso: solo los receptores afectados por el láser reciben energía.

Los inconvenientes incluyen:

• La radiación láser es peligrosa. Sin un mecanismo de seguridad adecuado, los niveles bajos de energía pueden cegar a los humanos y otros animales. Los altos niveles de potencia pueden matar a través del calentamiento puntual localizado.
• La conversión entre electricidad y luz es limitada. Las células fotovoltaicas alcanzan una eficiencia máxima del 40% al 50%. ^[92]
• La absorción atmosférica, y la absorción y dispersión por nubes, niebla, lluvia, etc., ocasiona pérdidas de hasta el 100%.
• Requiere una línea de visión directa con el objetivo. (En lugar de transmitirse directamente al receptor, la luz láser también puede ser guiada por una fibra óptica. Entonces se habla de tecnología de potencia sobre fibra ).

La tecnología láser de "transmisión de energía" se exploró en aplicaciones de armas militares ^{[93] [94] [95]} y aeroespaciales ^{[96] [97]} . Además, se aplica para la alimentación de diversos tipos de sensores en entornos industriales. Últimamente, se ha desarrollado para alimentar la electrónica comercial y de consumo . Los sistemas de transferencia de energía inalámbricos que utilizan láseres para el espacio del consumidor deben satisfacer los requisitos de seguridad láser estandarizados en IEC 60825. ^{[ cita requerida ]}

El primer sistema de energía inalámbrico que usa láseres para aplicaciones de consumo se demostró en 2018, capaz de entregar energía a dispositivos estacionarios y móviles en una habitación. Este sistema de alimentación inalámbrico cumple con las normas de seguridad según la norma IEC 60825. También está aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA). ^[98]

Otros detalles incluyen la propagación , ^[99] y la coherencia y el problema de limitación de alcance . ^[100]

Geoffrey Landis ^{[101] [102] [103]} es uno de los pioneros de los satélites de energía solar ^[104] y la transferencia de energía basada en láser, especialmente para misiones espaciales y lunares. La demanda de misiones espaciales seguras y frecuentes ha dado lugar a propuestas para un ascensor espacial impulsado por láser . ^{[105] [106]}

El Dryden Flight Research Center de la NASA ha demostrado un modelo de avión no tripulado liviano impulsado por un rayo láser. ^[107] Esta prueba de concepto demuestra la viabilidad de la recarga periódica utilizando un sistema de rayo láser.

Científicos de la Academia de Ciencias de China han desarrollado una prueba de concepto de la utilización de un láser de longitud de onda dual para cargar de forma inalámbrica dispositivos portátiles o UAV. ^[108]

Acoplamiento de canales de plasma atmosférico

Ver también: Electrolaser

En el acoplamiento de canales de plasma atmosférico, la energía se transfiere entre dos electrodos por conducción eléctrica a través de aire ionizado. ^[109] Cuando existe un gradiente de campo eléctrico entre los dos electrodos, que excede los 34 kilovoltios por centímetro a la presión atmosférica al nivel del mar, se produce un arco eléctrico. ^[110] Esta ruptura dieléctrica atmosférica da como resultado el flujo de corriente eléctrica a lo largo de una trayectoria aleatoria a través de un canal de plasma ionizado.entre los dos electrodos. Un ejemplo de esto es el relámpago natural, donde un electrodo es un punto virtual en una nube y el otro es un punto en la Tierra. La investigación del canal de plasma inducido por láser (LIPC) está actualmente en curso utilizando láseres ultrarrápidos para promover artificialmente el desarrollo del canal de plasma a través del aire, dirigiendo el arco eléctrico y guiando la corriente a través de una ruta específica de manera controlable. ^[111] La energía láser reduce el voltaje de ruptura dieléctrica atmosférica y el aire se vuelve menos aislante por el sobrecalentamiento, lo que reduce la densidad ( ) del filamento de aire. ^[112]${\displaystyle p}$

Este nuevo proceso está siendo explorado para su uso como pararrayos láser y como medio para disparar rayos desde las nubes para estudios de canales de rayos naturales, ^[113] para estudios de propagación atmosférica artificial, como sustituto de antenas de radio convencionales, ^[114] para aplicaciones asociadas con soldadura eléctrica y maquinado, ^{[115] [116]} para desviar energía de descargas de condensadores de alto voltaje, para aplicaciones de armas de energía dirigida que emplean conducción eléctrica a través de una ruta de retorno a tierra, ^{[117] [118] [119] [120 ]} e interferencias electrónicas . ^[121]

Recolección de energía

Artículo principal: Recolección de energía

En el contexto de la energía inalámbrica, la recolección de energía , también llamada recolección de energía o barrido de energía , es la conversión de la energía ambiental del medio ambiente en energía eléctrica, principalmente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos inalámbricos autónomos. ^[122] La energía ambiental puede provenir de campos eléctricos o magnéticos extraviados u ondas de radio de equipos eléctricos cercanos, luz, energía térmica (calor) o energía cinética como la vibración o el movimiento del dispositivo. ^[122] Aunque la eficiencia de conversión suele ser baja y la energía obtenida suele ser minúscula (milivatios o microvatios), ^[122]puede ser adecuado para ejecutar o recargar pequeños dispositivos inalámbricos de microenergía, como sensores remotos , que están proliferando en muchos campos. ^[122] Esta nueva tecnología se está desarrollando para eliminar la necesidad de reemplazar la batería o cargar dichos dispositivos inalámbricos, permitiéndoles operar de forma completamente autónoma. ^{[123] [124]}

Historia

Desarrollos y callejones sin salida del siglo XIX

El siglo XIX vio muchos desarrollos de teorías y contrateorías sobre cómo podría transmitirse la energía eléctrica. En 1826, André-Marie Ampère descubrió que la ley circuital de Ampère mostraba que la corriente eléctrica produce un campo magnético. ^[125] Michael Faraday describió en 1831 con su ley de inducción la fuerza electromotriz que impulsa una corriente en un bucle conductor mediante un flujo magnético variable en el tiempo. Muchos inventores y experimentadores observaron la transmisión de energía eléctrica sin cables, ^{[126] [127] [128]} pero la falta de una teoría coherente atribuyó estos fenómenos vagamente a la inducción electromagnética . ^[129]Una explicación concisa de estos fenómenos vendría de las ecuaciones de Maxwell de la década de 1860 ^[51] de James Clerk Maxwell , estableciendo una teoría que unificaba la electricidad y el magnetismo al electromagnetismo , prediciendo la existencia de ondas electromagnéticas como portadoras "inalámbricas" de energía electromagnética. Alrededor de 1884, John Henry Poynting definió el vector de Poynting y dio el teorema de Poynting , que describe el flujo de energía a través de un área dentro de la radiación electromagnética y permite un análisis correcto de los sistemas inalámbricos de transferencia de energía. ^{[51] [130]} Esto fue seguido por Heinrich Rudolf Hertz'1888 validación de la teoría, que incluía la evidencia de ondas de radio . ^[130]

Durante el mismo período, William Henry Ward (1871) y Mahlon Loomis (1872) propusieron dos esquemas de señalización inalámbrica que se basaban en la creencia errónea de que había un estrato atmosférico electrificado accesible a baja altitud. ^{[131] [132]} Las patentes de ambos inventores señalaron que esta capa conectada con una ruta de retorno que usa "corrientes terrestres" permitiría la telegrafía inalámbrica, así como el suministro de energía para el telégrafo, eliminando las baterías artificiales, y también podría usarse para iluminación, calor y fuerza motriz. ^{[133] [134]} Una demostración más práctica de la transmisión inalámbrica por conducción llegó en Amos DolbearEl teléfono magnetoeléctrico de 1879 que utilizaba la conducción terrestre para transmitir a una distancia de un cuarto de milla. ^[135]

Tesla

Tesla demostrando la transmisión inalámbrica por "inducción electrostática" durante una conferencia de 1891 en el Columbia College . Las dos láminas de metal están conectadas a un oscilador de bobina Tesla , que aplica corriente alterna de radiofrecuencia de alto voltaje . Un campo eléctrico oscilante entre las láminas ioniza el gas a baja presión en los dos largos tubos Geissler en sus manos, haciendo que brillen de manera similar a los tubos de neón .

Después de 1890, el inventor Nikola Tesla experimentó con la transmisión de potencia mediante acoplamiento inductivo y capacitivo utilizando transformadores resonantes de radiofrecuencia excitados por chispas , ahora llamados bobinas Tesla , que generaban altos voltajes de CA. ^{[51] [53] [136]} Al principio, intentó desarrollar un sistema de iluminación inalámbrico basado en el acoplamiento inductivo y capacitivo de campo cercano ^[53] y llevó a cabo una serie de demostraciones públicas en las que encendió tubos Geissler e incluso bombillas incandescentes desde el otro lado. una etapa. ^{[53] [136] [137]}Descubrió que podía aumentar la distancia a la que podía encender una lámpara utilizando un circuito LC receptor sintonizado en resonancia con el circuito LC del transmisor. ^[52] utilizando acoplamiento inductivo resonante . ^{[53] [54]} Tesla no logró hacer un producto comercial a partir de sus hallazgos ^[138] pero su método de acoplamiento inductivo resonante ahora se usa ampliamente en electrónica y actualmente se está aplicando a sistemas de energía inalámbricos de corto alcance. ^{[53] [139]}

(izquierda) Experimento de transferencia inductiva resonante de Tesla en Colorado Springs 1899. La bobina está en resonancia con el transmisor de aumento de Tesla cerca, que enciende la bombilla en la parte inferior. (derecha) La fallida central eléctrica Wardenclyffe de Tesla.

Tesla pasó a desarrollar un sistema de distribución de energía inalámbrico que esperaba que fuera capaz de transmitir energía a larga distancia directamente a hogares y fábricas. Al principio pareció tomar prestado de las ideas de Mahlon Loomis, ^{[140] [141]} proponiendo un sistema compuesto de globos para suspender la transmisión y recepción de electrodos en el aire por encima de 30.000 pies (9.100 m) de altitud, donde pensó que la presión sería le permiten enviar altos voltajes (millones de voltios) a largas distancias. Para estudiar más a fondo la naturaleza conductora del aire a baja presión, estableció una instalación de prueba a gran altitud en Colorado Springs durante 1899. ^{[142] [143] [144]}Los experimentos que realizó allí con una gran bobina que opera en el rango de megavoltios, así como las observaciones que hizo del ruido electrónico de los rayos, lo llevaron a concluir incorrectamente ^{[145] [135]} que podía usar todo el globo de la Tierra para Conducir energía eléctrica. La teoría incluía conducir pulsos de corriente alterna hacia la Tierra a su frecuencia resonante desde una bobina Tesla conectada a tierra que trabaja contra una capacitancia elevada para hacer oscilar el potencial de la Tierra. Tesla pensó que esto permitiría recibir corriente alterna con una antena capacitiva similar sintonizada en resonancia con ella en cualquier punto de la Tierra con muy poca pérdida de potencia. ^{[146] [147] [148]}Sus observaciones también lo llevaron a creer que un alto voltaje usado en una bobina a una altura de unos cientos de pies "rompería el estrato de aire", eliminando la necesidad de millas de cable colgando de globos para crear su circuito de retorno atmosférico. ^{[149] [150]} Tesla continuaría el próximo año para proponer un " Sistema Inalámbrico Mundial " que transmitiría tanto información como energía en todo el mundo. ^{[151] [152]} En 1901, en Shoreham, Nueva York, intentó construir una gran central eléctrica inalámbrica de alto voltaje, ahora llamada Wardenclyffe Tower , pero en 1904 la inversión se agotó y la instalación nunca se completó.

Tecnologías de campo cercano y no radiativas

La transferencia de energía inductiva entre bobinas de alambre cercanas fue la primera tecnología de energía inalámbrica que se desarrolló, existente desde que se desarrolló el transformador en el siglo XIX. El calentamiento por inducción se ha utilizado desde principios del siglo XX. ^[153]

Con la llegada de los dispositivos inalámbricos , se han desarrollado soportes de carga por inducción para electrodomésticos que se utilizan en entornos húmedos, como cepillos de dientes eléctricos y máquinas de afeitar eléctricas , para eliminar el peligro de descargas eléctricas. Una de las primeras aplicaciones propuestas de la transferencia inductiva fue impulsar locomotoras eléctricas. En 1892, Maurice Hutin y Maurice Leblanc patentaron un método inalámbrico para alimentar trenes de ferrocarril utilizando bobinas resonantes acopladas inductivamente a un cable de vía a 3 kHz. ^[154]

A principios de la década de 1960, la transferencia de energía inalámbrica inductiva resonante se utilizó con éxito en dispositivos médicos implantables ^[155], incluidos dispositivos como marcapasos y corazones artificiales. Mientras que los primeros sistemas usaban una bobina receptora resonante, los sistemas posteriores ^[156] implementaron también bobinas transmisoras resonantes. Estos dispositivos médicos están diseñados para una alta eficiencia utilizando componentes electrónicos de baja potencia al mismo tiempo que se adaptan de manera eficiente a algunos desalineamientos y torsiones dinámicas de las bobinas. La separación entre las bobinas en aplicaciones implantables suele ser inferior a 20 cm. Hoy en día, la transferencia de energía inductiva resonante se usa regularmente para proporcionar energía eléctrica en muchos dispositivos médicos implantables disponibles comercialmente. ^[157]

Las primeras tecnologías pasivas de RFID (identificación por radiofrecuencia) fueron inventadas por Mario Cardullo ^[158] (1973) y Koelle et al. ^[159] (1975) y en la década de 1990 se estaban utilizando en tarjetas de proximidad y tarjetas inteligentes sin contacto .

La proliferación de dispositivos de comunicación inalámbricos portátiles como teléfonos móviles , tabletas y computadoras portátiles en las últimas décadas está impulsando el desarrollo de la tecnología de carga y alimentación inalámbrica de rango medio para eliminar la necesidad de que estos dispositivos estén conectados a enchufes de pared durante la carga. ^[160] El Wireless Power Consortium se estableció en 2008 para desarrollar estándares interoperables entre fabricantes. ^[160] Su estándar de potencia inductiva Qi publicado en agosto de 2009 permite una carga y alimentación de alta eficiencia de dispositivos portátiles de hasta 5 vatios en distancias de 4 cm (1,6 pulgadas). ^[161]El dispositivo inalámbrico se coloca en una placa de carga plana (que se puede incrustar en mesas en cafés, por ejemplo) y la energía se transfiere desde una bobina plana en el cargador a una similar en el dispositivo. En 2007, un equipo dirigido por Marin Soljačić en el MIT utilizó un transmisor de resonancia dual con un secundario de 25 cm de diámetro sintonizado a 10 MHz para transferir 60 W de potencia a un receptor de resonancia dual similar a una distancia de 2 metros (6,6 pies) (ocho veces el diámetro de la bobina del transmisor) con una eficiencia de alrededor del 40%. ^{[53] [56]}

En 2008, el equipo de Greg Leyh y Mike Kennan de Nevada Lightning Lab utilizó un transmisor de resonancia dual con conexión a tierra con un secundario de 57 cm de diámetro sintonizado a 60 kHz y un receptor de resonancia dual con conexión a tierra similar para transferir energía a través de campos eléctricos acoplados con un circuito de retorno de corriente a tierra. a una distancia de 12 metros (39 pies). ^[162] En 2011, el Dr. Christopher A. Tucker y el profesor Kevin Warwick de la Universidad de Reading , recrearon la patente 1900 de Tesla 0,645,576 en miniatura y demostraron una transmisión de potencia de más de 4 metros (13 pies) con un diámetro de bobina de 10 centímetros (3,9 pulgadas). ) a una frecuencia de resonancia de 27,50 MHz, con una eficiencia efectiva del 60%. ^[163]

Microondas y láseres

Antes de la Segunda Guerra Mundial, se avanzó poco en la transmisión de energía inalámbrica. ^{[80] La} radio se desarrolló para usos de comunicación, pero no se pudo utilizar para la transmisión de energía ya que las ondas de radio de frecuencia relativamente baja se extendían en todas direcciones y llegaba poca energía al receptor. ^{[51] [80]} En la comunicación por radio, en el receptor, un amplificador intensifica una señal débil utilizando energía de otra fuente. Para la transmisión de energía, la transmisión eficiente requería transmisores que pudieran generar microondas de alta frecuencia , que pueden enfocarse en haces estrechos hacia un receptor. ^{[51] [80] [164]}

El desarrollo de la tecnología de microondas durante la Segunda Guerra Mundial, como los tubos klystron y magnetron y las antenas parabólicas ^[80] hizo que los métodos radiativos ( de campo lejano ) fueran prácticos por primera vez, y la primera transmisión de energía inalámbrica a larga distancia se logró en el 1960 por William C. Brown . ^[51] En 1964, Brown inventó la rectenna que podía convertir eficientemente microondas en corriente continua, y en 1964 lo demostró con el primer avión de propulsión inalámbrica, un modelo de helicóptero propulsado por microondas emitido desde el suelo. ^[80] Una de las principales motivaciones para la investigación de microondas en los años setenta y ochenta fue desarrollar unsatélite de energía solar . ^{[51] [80]} Concebido en 1968 por Peter Glaser , esto recolectaría energía de la luz solar usando células solares y la transmitiría a la Tierra como microondas a enormes rectennas, que la convertirían en energía eléctrica en la red eléctrica . ^[165] En experimentos históricos de 1975 como director técnico de un programa JPL / Raytheon, Brown demostró la transmisión de largo alcance transmitiendo 475 W de potencia de microondas a una rectenna a una milla de distancia, con una eficiencia de conversión de microondas a CC del 54%. ^[166]En el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, él y Robert Dickinson transmitieron una potencia de salida de CC de 30 kW a lo largo de 1,5 km con microondas de 2,38 GHz desde un plato de 26 m a una matriz de rectenna de 7,3 x 3,5 m. La eficiencia de conversión de RF incidente a CC de la rectenna fue del 80%. ^[167] En 1983 Japón lanzó MINIX (Experimento de interacción no lineal de ionosfera de microondas) , un experimento de cohete para probar la transmisión de microondas de alta potencia a través de la ionosfera. ^{[ cita requerida ]}

En los últimos años, un foco de investigación ha sido el desarrollo de aviones no tripulados de propulsión inalámbrica, que comenzó en 1959 con el proyecto RAMP (Raytheon Airborne Microwave Platform) del Departamento de Defensa ^[80] que patrocinó la investigación de Brown. En 1987, el Centro de Investigación de Comunicaciones de Canadá desarrolló un pequeño prototipo de avión llamado Plataforma de retransmisión estacionaria de gran altitud (SHARP) para transmitir datos de telecomunicaciones entre puntos en la tierra similar a un satélite de comunicaciones . Impulsado por una rectenna, podría volar a 13 millas (21 km) de altitud y permanecer en el aire durante meses. En 1992, un equipo de la Universidad de Kioto construyó una nave más avanzada llamada MILAX (Experimento de avión elevado por microondas).

En 2003, la NASA voló el primer avión propulsado por láser. El motor del pequeño modelo de avión funcionaba con electricidad generada por fotocélulas de un rayo de luz infrarroja de un láser terrestre, mientras que un sistema de control mantenía el láser apuntando al avión.

Ver también

• Propulsión por haz
• Beam Power Challenge : uno de los desafíos del centenario de la NASA
• Distribución de electricidad
• Transmisión de energía eléctrica
• Compatibilidad electromagnética
• Radiación electromagnética y salud
• Recolección de energía
• Ecuación de transmisión de viernes
• Transmisión de potencia por microondas
• Qi (estándar)
• Energía solar basada en el espacio
• Acoplamiento inductivo resonante
• Maldición de matriz diluida
• uBeam - sistema de transferencia de energía acústica
• Torre de Wardenclyffe
• Wi-Charge : alimentación inalámbrica por infrarrojos de campo lejano
• Sistema inalámbrico mundial

Referencias

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     En ese momento estaba absolutamente seguro de que podría montar una planta comercial, si no pudiera hacer nada más que lo que había hecho en mi laboratorio en Houston Street; pero ya lo había calculado y descubrí que no necesitaba grandes alturas para aplicar este método. Mi patente dice que analizo la atmósfera "en o cerca" de la terminal. Si mi atmósfera conductora está a 2 o 3 millas por encima de la planta, lo considero muy cerca de la terminal en comparación con la distancia de mi terminal receptora, que puede estar al otro lado del Pacífico. Eso es simplemente una expresión. Vi que podría transmitir energía siempre que pudiera construir cierto aparato, y lo he hecho, como les mostraré más adelante. He construido y patentado una forma de aparato que, con una elevación moderada de unos pocos cientos de pies, puede romper el estrato de aire.

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Lectura adicional

Libros y articulos

• de Rooij, Michael A. (2015). Manual de energía inalámbrica . Publicaciones de conversión de energía. ISBN 978-0996649216. Último trabajo en transmisores AirFuel Alliance clase 2 y clase 3, sintonización adaptativa, EMI radiada, sistemas de energía inalámbricos multimodo y estrategias de control.
• Agbinya, Johnson I., Ed. (2012). Transferencia de energía inalámbrica . River Publishers. ISBN 978-8792329233. Texto completo de ingeniería teórica
• Shinohara, Naoki (2014). Transferencia de energía inalámbrica a través de ondas de radio . John Wiley e hijos. ISBN 978-1118862964. Texto de ingeniería
• Kurs, A .; Karalis, A .; Moffatt, R .; Joannopoulos, JD; Fisher, P .; Soljacic, M. (6 de julio de 2007). "Transferencia de energía inalámbrica a través de resonancias magnéticas fuertemente acopladas". Ciencia . 317 (5834): 83–86. Código Bibliográfico : 2007Sci ... 317 ... 83K . CiteSeerX  10.1.1.418.9645 . doi : 10.1126 / science.1143254 . PMID  17556549 . S2CID  17105396 .
• Thibault, G. (2014). Pasts inalámbricos y futuros cableados . En J. Hadlaw, A. Herman y T. Swiss (Eds.), Theories of the Mobile Internet. Materialidades e imaginarios. (págs. 126-154). Londres: Routledge. Una breve historia cultural de la energía inalámbrica

Patentes

• Patente de Estados Unidos 4.955.562 , Avión impulsado por microondas, John E. Martin, et al. (1990).
• Patente de EE.UU. 3.933.323 , Sistema y aparato convertidor de energía solar a microondas de estado sólido, Kenneth W. Dudley, et al. (1976).
• Patente de EE.UU. 3.535.543 , Antena receptora de potencia de microondas, Carroll C. Dailey (1970).

Enlaces externos

• Howstuffworks "Cómo funciona la energía inalámbrica" : describe la transmisión de energía inalámbrica de rango medio y cercano mediante técnicas de inducción y radiación.
• Transmisión de potencia por microondas , su historia antes de 1980.
• La plataforma de relé estacionaria para gran altitud (SHARP) , alimentada por haz de microondas.
• MIT WiTricity de Marin Soljačić : páginas de transmisión de energía inalámbrica.
• Rezence : sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por Alliance for Wireless Power
• Qi : sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por Wireless Power Consortium
• PMA : sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por Power Matters Alliance
• WiPow : sitio oficial de WiPow Coalition, que promueve la energía inalámbrica estandarizada para dispositivos médicos, de movilidad y con ruedas.