Vezetékmentes energiatovábbítás
Marc Cundle – részlegvezető – RS Components, technikai marketing
A vezeték nélküli villamosenergia-továbbítás ötlete már régóta – tulajdonképpen több mint 100 éve, a Tesla-tekercs feltalálása óta – létezik. Az elképzelés megvalósítása induktív összekapcsolással ma még inkább csak az elektromos fogkefékben található meg, de manapság egyre több berendezésben alkalmazzák, és egyre több vállalat próbálja meg a gyakorlatba átültetni.
Amit már ma is lehet, és amit a holnap hoz
Az alapprobléma
Az elektromos energia vezetékmentes továbbításában kulcsfontosságú a hatásfok; a generátor által továbbított energia nagy részének meg kell érkeznie a vevőegységhez. A kis hatótávolságú, vezetékmentes továbbításhoz kétféle induktív kapcsolódási módszer alkalmazható: az egyszerű induktív csatolás vagy a rezonáns kapcsolat. Általánosságban elmondható, hogy a viszonylag rövid kommunikációs távokon a standard induktív kapcsolat kevésbé hatékony és életképes, mivel a mágneses fluxus az energiaforrásul szolgáló tekercstől távolodva szóródik, és csak kis része csatolódik a vevőtekercsbe. A rezonáns kapcsolat nagyobb hatékonyságot (kb. 95%) ígér, és viszonylag nagy távolságokon, akár pár méteren is hatékony. A rezonáns kapcsolat alkalmazásával tehát jelentősen csökkenthető az energiaveszteség, és az egyes tekercsek között már elfogadható hatásfokkal vihető át az elektromos energia.
Standard induktív kapcsolat
A standard induktív kapcsolatban két vezető található egymással induktív (mágneses) csatolásban. Ez azt jelenti, hogy az adóoldali vezető áramának megváltozása feszültséget indukál a másik, a vevőoldali vezetőben. A két vezető közötti induktív kapcsolat mértéke a kölcsönös induktivitás. Ezt növelhetjük, ha a vezetékeket feltekercseljük és közös tengely mentén egymáshoz közel helyezzük el úgy, hogy a tekercsek mágneses mezeje fedje egymást. A kapcsolat ezen formája rövid hatótávolságon, alacsonyfrekvenciás energiaforrásoknál alkalmazható hatékonyan. A standard induktív vezetékmentes energiakapcsolat előnye a nagy átvihető teljesítmény, aránylag kisméretű eszközökkel.
Rezonáns induktív kapcsolat
A hatékony energiaátvitel ésszerűen megvalósítható hatótávolsága a rezonanciajelenség felhasználásával növelhető. Az ehhez szükséges elrendezés jelentősen hasonlít a nem rezonáns, kéttekercses struktúrára. Ebben az esetben azonban a tekercsekből azonos frekvenciára hangolt, rezonáns rezgőköröket alkotnak, és a nagy Q jósági tényzőjű rezgőkörökben a periodikusan változó elektromos áram oszcilláló mágneses mezőt hoz létre. A nagy jósági tényezőjű rezonancia miatt az adótekercs által keltett mágneses energia lassan oszlik el, és ha az első tekercs közelében egy második is található, az energia szinte veszteség nélkül továbbítható, az adótekercsbe táplált energia nagy része a vevőtekercsbe juthat. Ez akkor is megtörténhet, ha a tekercsek egymástól
viszonylag távolabb vannak.
A félvezetőgyártók a vezetékmentes energiaátvitel gyakorlatban is használható kivitelére alkalmas megoldásokon dolgoznak.
A Texas Instruments bqTESLA-nevű, vezeték nélküli energiaportfóliója mágnesesrezonancia-technológián alapul, és tartalmazza az adó és vevő egységek kialakításához szükséges félvezető integrált áramköröket a vezeték nélküli akkumulátortöltéshez. Ez a megoldás a hordozható elektromos berendezések akkumulátorainak 93%-os hatásfokú feltöltését teszi lehetővé jelentős hőmérséklet-emelkedés nélkül, ráadásul olyan töltési rátával, amely teljes mértékben összehasonlítható és versenyképes a hagyományos AC-adapterekkel.
Alkalmazás
A vezeték nélküli villamosenergia-átvitel iránt egyre nagyobb az érdeklődés, és egyre több az új és innovatív alkalmazás. Nagy lehetőség rejlik a háztartási eszközök vezeték nélküli energiaellátásában vagy akkumulátoraik töltésében, egyebek közt például az „elektronikus könyvek” olvasókészülékeinél. Ezzel a technológiával az a polc tölthetné őket, amelyre fektetve tárolják, és amelyeket úgy terveztek meg, hogy fényjelzésekkel vonják magukra a figyelmet. De beszélhetnénk olyan akkumulátoros eszközökről is, amelyek automatikusan töltődnek, hogy mindig készen álljanak a használatra.
Érdekes megoldás az okostelefonok vagy egyéb mobil eszközök töltése egy ún. töltőtok segítségével, amely a töltőtechnológia egyik felét – pl. a vezeték nélküli töltés induktív kapcsolatához szükséges tekercsek egyikét – tartalmazza. Azonban a technológia terjedésében érdekelt vállalatok (mint a Panasonic vagy a Duracell) máris tovább tágítják a határokat. A Panasonic nemrégiben bemutatott egy napenergiával működő induktív töltőasztalt, amellyel mobil eszközök is feltölthetők. Ehhez nem kell mást tenni, mint az eszközt az asztalra helyezni. Az asztalban található töltőpanel közvetlenül kapcsolódik az eszköz akkumulátorához anélkül, hogy tokra, egyéb kapcsolatra vagy harmadik fél által gyártott kiegészítőre lenne szükség, mivel a vevő áramkörök közvetlenül az akkumulátorba vannak beszerelve. Az ilyen termékek nagyon népszerűek lehetnének éttermekben, kávézókban vagy repülőtéri várókban, illetve olyan nyilvános helyeken, ahol az emberek előszeretettel használnák őket mobil eszközeik feltöltésére. A Duracell már bejelentette a Power WiCC (Wireless Charging Card) nevű termékét (ábra), egy extrém vékony kártyát, amely minden mobil eszközben elfér, és tartalmazza a vezeték nélküli töltéshez szükséges áramköröket, továbbá NFC (Near-Field Communications) antennaként is üzemel.
Szabványok
A jövő szempontjából fontos a kisteljesítményű eszközök töltésére létrehozott szabvány, amelyet az a 2008-ban alapított Wireless Power Consortium (WPC) alkotott meg. Ennek feladata a vezeték nélküli töltési technológiára vonatkozó globális szabvány kialakítása. A szabvány garantálja az elektromos energiát kiadó és fogadó eszközök közötti együttműködést. A szabványt jelenleg a közepes teljesítményű eszközökre is megpróbálják alkalmazni. Az eredeti tervek szerint a kisteljesítményű specifikáció 5 W teljesítmény átvitelét szabványosítja. A közepes teljesítménykategória maximális átvihető teljesítményét 120 W-ban határozták meg, amely például konyhai eszközökhöz lehet ideális.
Elektromos autók és a jövő
Ma még megoldatlan, de nagyon izgalmas terület a vezeték nélküli töltési technológiában az elektromos járművek akkumulátorainak töltése. A mai elgondolások szerint magángarázsokban vagy nyilvános parkolóhelyeken töltőpontokat lehetne elhelyezni. Ezeknek a töltőállomásoknak nem kell teljes mértékben igazodniuk az autó alján elhelyezett vevőegységhez. Az elv vonzó és ígéretes, de hosszú távon még számos kérdést kell megoldani helyi és nemzetközi szinten is. Felmerült egy olyan „mikrotöltő” terve is, amely lehetővé tenné töltőlemezek útfelületbe építését, melyekkel az EV (tisztán elektromos hajtású) és HEV (hibrid elektromos) autókat menet közben is lehetne tölteni. Ez a megoldás azonban még nagyon távolinak tűnik, de a technológiában hatalmas potenciál rejlik.
RS Components Magyarország
Tel.: +36 1 408 8371, fax: +36 1 408 8372
E-mail:
