Trasferimento di energia wireless
Le tecniche di alimentazione wireless rientrano principalmente in due categorie, non radiative e radiative. Nelle tecniche near field o non-radiative, la potenza viene trasferita su brevi distanze da campi magnetici mediante l’accoppiamento induttivo tra bobine di filo o campi elettrici mediante accoppiamento capacitivo tra elettrodi metallici. L’accoppiamento induttivo è la tecnologia wireless più utilizzata; le sue applicazioni comprendono la ricarica di dispositivi palmari come telefoni e spazzolini elettrici, etichette RFID e ricarica wireless o trasferimento di potenza wireless continuo in dispositivi medici impiantabili come pacemaker cardiaci artificiali o veicoli elettrici.
Nelle tecniche di campo lontano o radianti, anche chiamate power beaming, la potenza viene trasferita da raggi di radiazione elettromagnetica, come microonde o raggi laser. Queste tecniche possono trasportare energia su distanze maggiori ma devono essere mirate al ricevitore. Le applicazioni proposte per questo tipo sono i satelliti per l’energia solare e gli aerei drone wireless.
Un problema importante associato a tutti i sistemi di alimentazione wireless sta limitando l’esposizione di persone e altri esseri viventi a campi elettromagnetici potenzialmente dannosi.
Regioni del campo
I campi elettrici e magnetici sono creati da particelle cariche in materia come gli elettroni. Una carica stazionaria crea un campo elettrostatico nello spazio circostante. Una corrente costante di cariche (corrente continua, DC) crea un campo magnetico statico attorno ad esso. I campi sopra contengono energia, ma non possono portare energia perché sono statici. Tuttavia i campi che variano nel tempo possono portare energia. Accelerare le cariche elettriche, come quelle che si trovano in una corrente alternata (CA) di elettroni in un filo, creano nello stesso tempo campi elettrici e magnetici variabili nel tempo. Questi campi possono esercitare forze oscillanti sugli elettroni in una “antenna” ricevente, facendoli muovere avanti e indietro. Rappresentano la corrente alternata che può essere utilizzata per alimentare un carico.
I campi elettrici e magnetici oscillanti che circondano le cariche elettriche in un dispositivo antenna possono essere divisi in due regioni, a seconda della distanza D dall’antenna. Il confine tra le regioni è in qualche modo vagamente definito. I campi hanno caratteristiche diverse in queste regioni e diverse tecnologie sono utilizzate per trasferire energia:
Area vicina o non radiativa – Ciò significa l’area entro circa 1 lunghezza d’onda (λ) dell’antenna. In questa regione i campi elettrici e magnetici oscillanti sono separati e la potenza può essere trasferita tramite campi elettrici mediante accoppiamento capacitivo (induzione elettrostatica) tra elettrodi metallici o tramite campi magnetici mediante accoppiamento induttivo (induzione elettromagnetica) tra bobine di filo. Questi campi non sono radiativi, il che significa che l’energia rimane a breve distanza dal trasmettitore. Se non vi è alcun dispositivo ricevente o materiale assorbente entro il loro raggio limitato da “accoppiare” a, nessuna potenza lascia il trasmettitore. La gamma di questi campi è breve e dipende dalla dimensione e dalla forma dei dispositivi “antenna”, che di solito sono bobine di filo. I campi, e quindi la potenza trasmessa, diminuiscono in modo esponenziale con la distanza, quindi se la distanza tra le due “antenne” D è molto più grande del diametro della ” D ” delle antenne, si riceverà pochissima energia. Pertanto, queste tecniche non possono essere utilizzate per la trasmissione di energia a lungo raggio.
La risonanza, come l’accoppiamento induttivo risonante, può aumentare notevolmente l’accoppiamento tra le antenne, consentendo una trasmissione efficiente a distanze un po ‘più grandi, sebbene i campi diminuiscano ancora esponenzialmente. Pertanto la gamma di dispositivi near-field è convenzionalmente suddivisa in due categorie:
Campo corto – fino a circa un diametro dell’antenna: gamma D ≤ D ant . Questo è il campo oltre il quale l’accoppiamento capacitivo o induttivo non resistente può trasferire quantità di energia pratica.
Midrange: fino a 10 volte il diametro dell’antenna: gamma D ≤ 10 D ant . Questo è il campo su cui l’accoppiamento capacitivo o induttivo risonante può trasferire quantità di energia pratica.
Campo lontano o regione radiativa – Oltre a circa 1 lunghezza d’onda (λ) dell’antenna, i campi elettrici e magnetici sono perpendicolari tra loro e si propagano come un’onda elettromagnetica;esempi sono le onde radio, le microonde o le onde luminose. Questa parte dell’energia è radiativa, nel senso che lascia l’antenna indipendentemente dal fatto che ci sia un ricevitore per assorbirlo. La porzione di energia che non colpisce l’antenna ricevente viene dissipata e persa nel sistema. La quantità di potenza emessa come onde elettromagnetiche da un’antenna dipende dal rapporto tra la dimensione dell’antenna Dant e la lunghezza d’onda delle onde λ, che è determinata dalla frequenza: λ = c / f. Alle basse frequenze in cui l’antenna è molto più piccola della dimensione delle onde, D ant << λ, viene irradiata pochissima energia. Pertanto i dispositivi near-field sopra, che usano frequenze più basse, irradiano quasi nessuna energia della radiazione elettromagnetica. Le antenne delle stesse dimensioni della lunghezza d’onda D ant ≈ λ come antenne monopole o dipolo irradiano efficientemente la potenza, ma le onde elettromagnetiche sono irradiate in tutte le direzioni (omnidirezionalmente), quindi se l’antenna ricevente è lontana, solo una piccola quantità di la radiazione lo colpirà. Pertanto, questi possono essere utilizzati per la trasmissione a corto raggio, inefficiente ma non per la trasmissione a lungo raggio.
Tuttavia, a differenza dei campi, la radiazione elettromagnetica può essere focalizzata mediante riflessione o rifrazione in raggi. Utilizzando un’antenna ad alto guadagno o un sistema ottico che concentra la radiazione in un fascio stretto rivolto al ricevitore, può essere utilizzato per la trasmissione di energia a lungo raggio. Dal criterio di Rayleigh, per produrre i raggi stretti necessari per focalizzare una quantità significativa di energia su un ricevitore distante, un’antenna deve essere molto più grande della lunghezza d’onda delle onde utilizzate: D ant > λ = c / f. I dispositivi di potenza del fascio pratici richiedono lunghezze d’onda nella regione del centimetro o inferiori, corrispondenti a frequenze superiori a 1 GHz, nel campo delle microonde o superiori.
Tecniche near-field (nonradiative)
A grande distanza relativa, i componenti del campo vicino di campi elettrici e magnetici sono campi di dipolo oscillanti quasi-quasi-statici. Questi campi diminuiscono con il cubo della distanza: ( intervalloD / D ant ) -3 Poiché la potenza è proporzionale al quadrato dell’intensità del campo, la potenza trasferita diminuisce come ( intervallo D / D ant ) -6. o 60 dB per decennio. In altre parole, se distanti tra loro, raddoppiando la distanza tra le due antenne, la potenza ricevuta diminuisce di un fattore di 26 = 64. Di conseguenza, l’accoppiamento induttivo e capacitivo può essere utilizzato solo per il trasferimento di potenza a corto raggio, all’interno alcune volte il diametro del dispositivo Ddell’antenna . A differenza di un sistema radiativo in cui la radiazione massima si verifica quando le antenne a dipolo sono orientate trasversalmente alla direzione di propagazione, con i campi di dipolo l’accoppiamento massimo si verifica quando i dipoli sono orientati longitudinalmente.
Accoppiamento induttivo
Nell’accoppiamento induttivo (induzione elettromagnetica o trasferimento di potenza induttivo, IPT), l’energia viene trasferita tra bobine di filo da un campo magnetico. Le bobine del trasmettitore e del ricevitore formano un trasformatore (vedere lo schema). Una corrente alternata (AC) attraverso la bobina del trasmettitore (L1) crea un campo magnetico oscillante (B) dalla legge di Ampere. Il campo magnetico passa attraverso la bobina di ricezione (L2), dove induce un EMF (tensione) alternata dalla legge di induzione di Faraday, che crea una corrente alternata nel ricevitore. La corrente alternata indotta può guidare direttamente il carico o essere raddrizzata in corrente continua (DC) da un raddrizzatore nel ricevitore, che guida il carico. Alcuni sistemi, come i supporti di ricarica per spazzolini elettrici, funzionano a 50/60 Hz, quindi la corrente di rete CA viene applicata direttamente alla bobina del trasmettitore, ma nella maggior parte dei sistemi un oscillatore elettronico genera una corrente CA a frequenza più elevata che aziona la bobina, perché l’efficienza della trasmissione migliora con frequenza.
L’accoppiamento induttivo è la tecnologia di alimentazione wireless più vecchia e più utilizzata e praticamente l’unica finora utilizzata nei prodotti commerciali. Viene utilizzato nei supporti di ricarica induttivi per apparecchi cordless utilizzati in ambienti umidi come spazzolini da denti elettrici e rasoi, per ridurre il rischio di scosse elettriche. Un’altra area di applicazione è la ricarica “transcutanea” di dispositivi protesici biomedici impiantati nel corpo umano, come pacemaker cardiaci e pompe di insulina, per evitare che i fili passino attraverso la pelle. Viene anche utilizzato per caricare veicoli elettrici come automobili e per caricare o alimentare veicoli di transito come autobus e treni.
Tuttavia, l’uso in maggiore crescita è rappresentato dai pad di ricarica wireless per ricaricare dispositivi mobili e palmari wireless come computer laptop e tablet, cellulari, lettori multimediali digitali e controller di videogiochi.
La potenza trasferita aumenta con la frequenza e l’induttanza reciproca tra le bobine, che dipende dalla loro geometria e dalla distanza fra loro. Una figura di merito ampiamente utilizzata è il coefficiente di accoppiamento . Questo parametro adimensionale è uguale alla frazione del flusso magnetico attraverso la bobina del trasmettitore che passa attraverso la bobina del ricevitore quando L2 è aperto in circolo. Se le due bobine si trovano sullo stesso asse e si chiudono tra loro in modo da separare tutto il flusso magnetico attraversa , e l’efficienza del collegamento si avvicina al 100%.Maggiore è la separazione tra le bobine, più il campo magnetico dalla prima bobina manca il secondo e il più basso e l’efficienza del collegamento è, avvicinandosi allo zero a grandi separazioni. L’efficienza del collegamento e la potenza trasferita sono approssimativamente proporzionali a . Per ottenere un’elevata efficienza, le bobine devono essere molto vicine tra loro, una frazione del diametro della bobina di solito entro centimetri, con gli assi delle bobine allineati. Solitamente vengono utilizzate forme larghe e piatte per aumentare l’accoppiamento. I nuclei di “confinamento del flusso” di ferrite possono confinare i campi magnetici, migliorare l’accoppiamento e ridurre l’interferenza con l’elettronica vicina, ma sono pesanti e ingombranti, quindi i dispositivi wireless di piccole dimensioni utilizzano spesso bobine a nucleo d’aria.
L’accoppiamento induttivo ordinario può raggiungere solo un’elevata efficienza quando le bobine sono molto vicine tra loro, solitamente adiacenti. Nella maggior parte dei sistemi induttivi moderni viene utilizzato un accoppiamento induttivo risonante, in cui l’efficienza viene aumentata utilizzando circuiti risonanti. Questo può raggiungere alte efficienze a distanze maggiori rispetto all’accoppiamento induttivo non risonante.
Accoppiamento induttivo risonante
Accoppiamento induttivo risonante (accoppiamento elettrodinamico, risonanza magnetica fortemente accoppiata) è una forma di accoppiamento induttivo in cui la potenza viene trasferita dai campi magnetici (B, verde) tra due circuiti risonanti (circuiti sintonizzati), uno nel trasmettitore e uno nel ricevitore ( vedi diagramma, a destra). Ciascun circuito risonante è costituito da una bobina di filo collegata a un condensatore o da una bobina risonante o da un altro risonatore con capacità interna.I due sono sintonizzati per risuonare alla stessa frequenza di risonanza. La risonanza tra le bobine può aumentare notevolmente l’accoppiamento e il trasferimento di potenza, analogamente al modo in cui un diapason vibrante può indurre vibrazioni simpatiche in una forcella distante sintonizzata sulla stessa altezza.
Nikola Tesla ha scoperto per la prima volta l’accoppiamento risonante durante i suoi esperimenti pionieristici nel trasferimento di potenza wireless intorno al volgere del XX secolo, ma le possibilità di utilizzare accoppiamenti risonanti per aumentare il raggio di trasmissione sono state solo recentemente esplorate. Nel 2007 un team guidato da Marin Soljačić al MIT ha utilizzato due circuiti sintonizzati accoppiati composti ciascuno da una bobina di filo risonante da 25 cm a 10 MHz per ottenere la trasmissione di 60 W di potenza su una distanza di 2 metri (6,6 piedi) ( 8 volte il diametro della bobina) con circa il 40% di efficienza. Soljačić ha fondato la società WiTricity (lo stesso nome utilizzato dal team per la tecnologia) che sta tentando di commercializzare la tecnologia.
Il concetto dietro i sistemi di accoppiamento induttivo risonante è che i risonatori ad alto fattore Q scambiano energia ad un tasso molto più alto di quello che perdono energia a causa dello smorzamento interno. Quindi, usando la risonanza, la stessa quantità di energia può essere trasferita a distanze maggiori, usando i campi magnetici molto più deboli nelle regioni periferiche (“code”) dei campi vicini (questi sono talvolta chiamati campi evanescenti). L’accoppiamento induttivo risonante può raggiungere un’elevata efficienza a intervalli da 4 a 10 volte il diametro della bobina ( D ant ). Questo è chiamato trasferimento “mid-range”, in contrasto con il “corto raggio” del trasferimento induttivo non risonante, che può raggiungere efficienze simili solo quando le bobine sono adiacenti. Un altro vantaggio è che i circuiti risonanti interagiscono l’uno con l’altro in modo molto più forte di quanto non facciano con gli oggetti non risonanti che riducono le perdite dovute all’assorbimento in oggetti vicini vaganti.
Un inconveniente della teoria di accoppiamento risonante è che a distanze ravvicinate quando i due circuiti risonanti sono strettamente accoppiati, la frequenza di risonanza del sistema non è più costante ma “si divide” in due picchi risonanti, quindi il trasferimento di potenza massimo non si verifica più all’originale la frequenza di risonanza e la frequenza dell’oscillatore devono essere sintonizzate sul nuovo picco di risonanza. Il caso di usare un picco così spostato è chiamato “single resonant”. Sono stati usati anche i sistemi “Singolo risonante”, in cui solo il secondario è un circuito sintonizzato. Il principio di questo fenomeno è anche chiamato “sincronizzazione di fase (Magnetica)” e ha già iniziato l’applicazione pratica per AGV in Giappone a partire dal 1993. Ed ora, il concetto di alta risonanza presentato dal ricercatore del MIT è applicato solo al risonatore secondario, e il sistema di trasferimento di potenza wireless ad alta efficienza e ampio gap è realizzato e viene utilizzato per il collettore di corrente a induzione di SCMaglev.
La tecnologia risonante è attualmente ampiamente incorporata nei moderni sistemi di alimentazione wireless induttiva. Una delle possibilità previste per questa tecnologia è la copertura di alimentazione wireless dell’area. Una bobina nella parete o nel soffitto di una stanza potrebbe essere in grado di alimentare in modalità wireless luci e dispositivi mobili ovunque nella stanza, con una ragionevole efficienza. Un vantaggio ambientale ed economico di alimentare in modalità wireless piccoli dispositivi quali orologi, radio, lettori musicali e telecomandi è che potrebbe ridurre drasticamente i 6 miliardi di batterie smaltite ogni anno, una grande fonte di rifiuti tossici e contaminazione delle acque sotterranee.
Accoppiamento capacitivo
Nell’accoppiamento capacitivo (induzione elettrostatica), il coniugato dell’accoppiamento induttivo, l’energia viene trasmessa da campi elettrici tra elettrodi come piastre metalliche. Gli elettrodi del trasmettitore e del ricevitore formano un condensatore, con lo spazio intermedio come dielettrico.Una tensione alternata generata dal trasmettitore viene applicata alla piastra di trasmissione e il campo elettrico oscillante induce un potenziale alternato sulla piastra del ricevitore mediante induzione elettrostatica, che fa fluire una corrente alternata nel circuito di carico. La quantità di potenza trasferita aumenta con la frequenza del quadrato della tensione e la capacità tra le piastre, che è proporzionale all’area della piastra più piccola e (per brevi distanze) inversamente proporzionale alla separazione.
L’accoppiamento capacitivo è stato utilizzato praticamente solo in alcune applicazioni a bassa potenza, poiché le tensioni molto elevate sugli elettrodi necessari per trasmettere una potenza significativa possono essere pericolose e possono causare spiacevoli effetti collaterali come la produzione nociva di ozono. Inoltre, a differenza dei campi magnetici, i campi elettrici interagiscono fortemente con la maggior parte dei materiali, compreso il corpo umano, a causa della polarizzazione dielettrica. I materiali intervenuti tra o vicino agli elettrodi possono assorbire l’energia, nel caso in cui l’uomo possa causare eccessiva esposizione al campo elettromagnetico. Tuttavia l’accoppiamento capacitivo presenta alcuni vantaggi rispetto all’accoppiamento induttivo. Il campo è in gran parte confinato tra le piastre del condensatore, riducendo le interferenze, che nell’accoppiamento induttivo richiede nuclei di “confinamento del flusso” di ferrite pesanti. Inoltre, i requisiti di allineamento tra trasmettitore e ricevitore sono meno critici. L’accoppiamento capacitivo è stato recentemente applicato alla ricarica di dispositivi portatili alimentati a batteria così come alla ricarica o al continuo trasferimento di potenza wireless in impianti biomedici, ed è considerato un mezzo per trasferire energia tra strati di substrato in circuiti integrati.
Sono stati utilizzati due tipi di circuito:
Design bipolare: in questo tipo di circuito, ci sono due piastre del trasmettitore e due piastre del ricevitore. Ogni piastra del trasmettitore è accoppiata a una piastra del ricevitore. L’oscillatore del trasmettitore aziona le piastre del trasmettitore in fase opposta (differenza di fase di 180 °) mediante un’alta tensione alternata e il carico è collegato tra le due piastre del ricevitore. I campi elettrici alternati inducono potenziali alternati di fase opposta nelle piastre del ricevitore e questa azione “push-pull” fa sì che la corrente fluisca avanti e indietro tra le piastre attraverso il carico. Uno svantaggio di questa configurazione per la ricarica wireless è che le due piastre nel dispositivo ricevente devono essere allineate faccia a faccia con le piastre del caricatore affinché il dispositivo funzioni.
Design unipolare: in questo tipo di circuito, il trasmettitore e il ricevitore hanno un solo elettrodo attivo e la terra o un elettrodo passivo grande funge da percorso di ritorno per la corrente. L’oscillatore del trasmettitore è collegato tra un elettrodo attivo e uno passivo. Il carico è anche collegato tra un elettrodo attivo e uno passivo. Il campo elettrico prodotto dal trasmettitore induce uno spostamento di carica alternata nel dipolo di carico attraverso l’induzione elettrostatica.
Accoppiamento capacitivo risonante
La risonanza può anche essere utilizzata con accoppiamento capacitivo per estendere la gamma.All’inizio del XX secolo, Nikola Tesla eseguì i primi esperimenti con accoppiamenti sia induttivi che capacitivi.
Accoppiamento magnetodinamico
In questo metodo, la potenza viene trasmessa tra due armature rotanti, una nel trasmettitore e una nel ricevitore, che ruotano in modo sincrono, accoppiate insieme da un campo magnetico generato da magneti permanenti sulle armature. L’armatura del trasmettitore è girata da o come il rotore di un motore elettrico, e il suo campo magnetico esercita una coppia sull’armatura del ricevitore, ruotandolo. Il campo magnetico si comporta come un accoppiamento meccanico tra le armature.L’armatura del ricevitore produce energia per guidare il carico, sia girando un generatore elettrico separato o utilizzando l’armatura del ricevitore stesso come il rotore in un generatore.
Questo dispositivo è stato proposto come alternativa al trasferimento di potenza induttivo per la ricarica senza contatto di veicoli elettrici. Un’armatura rotante inserita in un pavimento o in un marciapiede del garage trasformerebbe un’armatura del ricevitore nella parte inferiore del veicolo per caricare le sue batterie. Si sostiene che questa tecnica possa trasferire energia su distanze da 10 a 15 cm (da 4 a 6 pollici) ad alta efficienza, oltre il 90%. Inoltre, i campi magnetici parassiti a bassa frequenza prodotti dai magneti rotanti producono meno interferenze elettromagnetiche nei dispositivi elettronici vicini rispetto ai campi magnetici ad alta frequenza prodotti dai sistemi di accoppiamento induttivo. Un prototipo di sistema di ricarica di veicoli elettrici è in funzione presso l’Università della British Columbia dal 2012. Altri ricercatori, tuttavia, sostengono che le due conversioni di energia (da elettrica a meccanica a elettrica) rendono il sistema meno efficiente dei sistemi elettrici come l’accoppiamento induttivo.
Tecniche di campo lontano (radiative)
I metodi di campo lontano raggiungono intervalli più lunghi, spesso intervalli di più chilometri, in cui la distanza è molto maggiore del diametro dei dispositivi. Antenne ad alta direttività o luce laser ben collimata producono un fascio di energia che può essere realizzato per adattarsi alla forma dell’area ricevente. La massima direttività per le antenne è fisicamente limitata dalla diffrazione.
In generale, la luce visibile (dai laser) e le microonde (dalle antenne progettate appositamente) sono le forme di radiazione elettromagnetica più adatte al trasferimento di energia.
Le dimensioni dei componenti possono essere dettate dalla distanza dal trasmettitore al ricevitore, dalla lunghezza d’onda e dal criterio di Rayleigh o dal limite di diffrazione, utilizzato nel progetto di antenna a radiofrequenza standard, che si applica anche ai laser. Anche il limite di diffrazione di Airy viene spesso utilizzato per determinare una dimensione approssimativa del punto a una distanza arbitraria dall’apertura. La radiazione elettromagnetica presenta una minore diffrazione a lunghezze d’onda più corte (frequenze più alte); così, per esempio, un laser blu è diffratto meno di un rosso.
Il criterio di Rayleigh impone che qualsiasi onda radio, microonde o raggio laser si diffonda e si indebolisca e si diffonda a distanza; maggiore è l’antenna del trasmettitore o l’apertura del laser rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione, più stretto è il raggio e meno si diffonderà in funzione della distanza (e viceversa). Anche le antenne più piccole soffrono di perdite eccessive dovute ai lobi laterali. Tuttavia, il concetto di apertura del laser differisce considerevolmente da un’antenna.Tipicamente, un’apertura laser molto più grande della lunghezza d’onda induce radiazione multi-modificata e principalmente collimatori vengono utilizzati prima che le radiazioni emesse si accoppino in una fibra o nello spazio.
In definitiva, la larghezza del fascio è determinata fisicamente dalla diffrazione dovuta alla dimensione del piatto in relazione alla lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica utilizzata per creare il raggio.
L’irradiazione di potenza a microonde può essere più efficiente dei laser ed è meno soggetta all’attenuazione atmosferica causata dalla polvere o dal vapore acqueo.
In questo caso, i livelli di potenza sono calcolati combinando insieme i suddetti parametri e sommando i guadagni e le perdite dovuti alle caratteristiche dell’antenna e alla trasparenza e dispersione del mezzo attraverso il quale passa la radiazione. Questo processo è noto come calcolo di un budget di collegamento.
microonde
La trasmissione di potenza tramite onde radio può essere resa più direzionale, consentendo il raggio di irradiazione a lunga distanza, con lunghezze d’onda più corte di radiazioni elettromagnetiche, tipicamente nel campo delle microonde. Un rectennamay può essere utilizzato per convertire l’energia a microonde in energia elettrica. Sono stati realizzati efficienze di conversione di Rectenna superiori al 95%. È stato proposto il telerilevamento utilizzando le microonde per la trasmissione di energia dai satelliti orbitanti a energia solare alla Terra e l’irradiazione di energia verso l’orbita di partenza di un’astronave è stata presa in considerazione.
Il raggio di alimentazione delle microonde ha la difficoltà che, per la maggior parte delle applicazioni spaziali, le dimensioni di apertura richieste sono molto grandi a causa della direzionalità dell’antenna che limita la diffrazione. Ad esempio, lo studio della NASA del 1978 sui satelliti per l’energia solare richiedeva un’antenna trasmittente del diametro di 1 chilometro (0,62 mi) e un diametro di 10 km (6,2 mi) che ricevevano rectenna per un fascio di microonde a 2,45 GHz. Queste dimensioni possono essere leggermente ridotte utilizzando lunghezze d’onda più corte, anche se le lunghezze d’onda corte possono avere difficoltà con l’assorbimento atmosferico e il blocco del fascio da pioggia o gocce d’acqua. A causa della “maledizione dell’array assottigliato”, non è possibile creare un raggio più stretto combinando i raggi di diversi satelliti più piccoli.
Per le applicazioni terrestri, un array di ricezione di 10 km di diametro di ampia area consente di utilizzare ampi livelli di potenza totale durante il funzionamento a bassa densità di potenza suggerita per la sicurezza dell’esposizione elettromagnetica umana. Una densità di potenza di sicurezza umana di 1 mW / cm2 distribuita su un’area di 10 km di diametro corrisponde a 750 megawatt di potenza totale. Questo è il livello di potenza che si trova in molte moderne centrali elettriche.
laser
Nel caso delle radiazioni elettromagnetiche più vicine alla regione visibile dello spettro (decine di micrometri a decine di nanometri), la potenza può essere trasmessa convertendo l’elettricità in un raggio laser che viene quindi puntato verso una cella fotovoltaica. Questo meccanismo è generalmente noto come “power beaming” perché la potenza viene trasmessa da un ricevitore che può convertirlo in energia elettrica. Al ricevitore vengono applicati speciali convertitori di potenza laser fotovoltaici ottimizzati per la conversione della luce monocromatica.
I vantaggi rispetto ad altri metodi wireless sono:
La propagazione monocromatica del fronte d’onda collimata consente l’area della sezione trasversale del fascio stretto per la trasmissione su grandi distanze.
Dimensioni compatte: i laser a stato solido si adattano a piccoli prodotti.
Nessuna interferenza in radiofrequenza alle comunicazioni radio esistenti come Wi-Fi e telefoni cellulari.
Controllo accessi: solo i ricevitori colpiti dal laser ricevono energia.
Gli svantaggi includono:
La radiazione laser è pericolosa. Bassi livelli di potenza possono rendere ciechi gli esseri umani e altri animali. Livelli di potenza elevati possono uccidere attraverso il riscaldamento localizzato.
La conversione tra elettricità e luce è limitata. Le celle fotovoltaiche raggiungono un’efficienza del 40% -50%. (L’efficienza di conversione della luce laser in elettricità è molto più alta di quella della luce solare in elettricità).
L’assorbimento atmosferico e l’assorbimento e la dispersione di nuvole, nebbia, pioggia, ecc. Causano fino al 100% di perdite.
Richiede una linea di mira diretta con il bersaglio. (Invece di essere irradiato direttamente sul ricevitore, la luce laser può anche essere guidata da una fibra ottica, quindi si parla di tecnologia power-over-fiber).
Accoppiamento del canale del plasma atmosferico
Nell’accoppiamento del canale del plasma atmosferico, l’energia viene trasferita tra due elettrodi mediante conduzione elettrica attraverso l’aria ionizzata. Quando esiste un gradiente di campo elettrico tra i due elettrodi, superiore a 34 kilovolt per centimetro a pressione atmosferica a livello del mare, si verifica un arco elettrico. Questa scarica dielettrica atmosferica determina il flusso di corrente elettrica lungo una traiettoria casuale attraverso un canale di plasma ionizzato tra i due elettrodi. Un esempio di questo è il fulmine naturale, in cui un elettrodo è un punto virtuale in una nuvola e l’altro è un punto sulla Terra. La ricerca sul laser al plasma indotto (LIPC) è attualmente in corso utilizzando laser ultraveloci per promuovere artificialmente lo sviluppo del canale del plasma attraverso l’aria, dirigendo l’arco elettrico e guidando la corrente attraverso un percorso specifico in modo controllabile. L’energia laser riduce la tensione di scarica dielettrica atmosferica e l’aria viene resa meno isolante dal surriscaldamento, che abbassa la densità p del filamento d’aria.
Questo nuovo processo è stato esplorato per essere utilizzato come un parafulmine laser e come mezzo per attivare i fulmini dalle nuvole per gli studi sui canali naturali del fulmine, per studi di propagazione atmosferica artificiale, come sostituto delle antenne radio convenzionali, per applicazioni associate alla saldatura elettrica e lavorazione, per deviare la potenza da scariche di condensatori ad alta tensione, per applicazioni di armi ad energia diretta che impiegano la conduzione elettrica attraverso un percorso di ritorno a terra e inceppamenti elettronici.
Raccolta di energia
Nel contesto della potenza wireless, la raccolta di energia, chiamata anche raccolta di energia o scavenging di energia, è la conversione di energia ambientale dall’ambiente in energia elettrica, principalmente per alimentare piccoli dispositivi elettronici wireless autonomi. L’energia ambientale può provenire da sistemi elettrici o magnetici vaganti campi o onde radio provenienti da apparecchiature elettriche vicine, luce, energia termica (calore) o energia cinetica come vibrazione o movimento del dispositivo. Sebbene l’efficienza della conversione sia solitamente bassa e la potenza raccolta spesso minuscola (milliwatt o microwatt), può essere adeguata per far funzionare o ricaricare piccoli dispositivi wireless micropower come sensori remoti, che proliferano in molti campi.Questa nuova tecnologia è in fase di sviluppo per eliminare la necessità di sostituire o caricare la batteria di tali dispositivi wireless, consentendo loro di operare in completa autonomia.