أنواع مختلفة من تقنيات نقل الطاقة اللاسلكية وعملها

يحتاج كل نظام أو جهاز إلكتروني إلى طاقة كهربائية للتشغيل ، سواء كانت من مصدر تيار متردد أو بطارية. لا يمكن تخزين هذه الطاقة الكهربائية بشكل لا نهائي في أي جهاز قابل لإعادة الشحن مثل البطاريات أو المكثفات أو المكثفات الفائقة. لذلك ، يجب توصيل أي أجهزة محمولة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف المحمولة بخطوط طاقة التيار المتردد لإعادة شحن بطارياتها بانتظام.

عادةً ما تُستخدم الكابلات الكهربائية لتوصيل هذه الأجهزة القابلة لإعادة الشحن مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وسماعات الأذن ومكبرات الصوت التي تعمل بتقنية Bluetooth وما إلى ذلك بمحولات AC-DC. يعد استخدام كبلات الموصلات الإلكترونية لنقل الطاقة أو البيانات بين نظامين الطريقة الأساسية والأكثر شيوعًا منذ اكتشاف الكهرباء نفسها. والناس سعداء باستخدام الكابلات الكهربائية حتى الآن ولكن مع تقدم التكنولوجيا ، تؤدي سلامة الإنسان وتعطش البشرية للكمال في الجمال إلى مفاهيم نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) أو نقل الطاقة اللاسلكية (WET) إلى صورة ضائعة منذ فترة طويلة في التاريخ. في بعض مقالاتنا السابقة ، شرحنا نقل الطاقة اللاسلكي بالتفصيل وقمنا أيضًا ببناء دائرة لنقل الطاقة لاسلكيًا لتوهج مصباح LED.

تم إجراء أول تطبيق تجريبي كبير لنقل الطاقة اللاسلكية (WPT) في أوائل تسعينيات القرن التاسع عشر بواسطة المخترع نيكولا تيسلا. أثناء التجارب ، يتم نقل الطاقة الكهربائية عن طريق الاقتران الاستقرائي والسعوي باستخدام محولات طنين ترددات الراديو المتحمسة بالشرارة ، والتي تسمى الآن ملفات تسلا. على الرغم من نجاح هذه التجارب جزئيًا ، إلا أنها ليست فعالة وتتطلب استثمارات عالية. لذلك ، في وقت لاحق ، ألغيت هذه التجارب ودراسة التكنولوجيا كانت راكدة لسنوات عديدة. لقد قمنا أيضًا ببناء ملف تسلا صغير لإظهار مفهوم ملفات تسلا.

على الرغم من أنه حتى الآن لا توجد طريقة فعالة لتوصيل طاقة عالية لاسلكيًا ، فمن الممكن تصميم دائرة باستخدام التطورات التكنولوجية الحالية لنقل الطاقة المنخفضة بين نظامين بشكل فعال. وقد تم تصميم أجهزة الشحن اللاسلكية بناءً على هذه الدائرة المطورة حديثًا والتي تمكنها من توصيل الطاقة للهواتف الذكية والأجهزة الإلكترونية الصغيرة الأخرى لاسلكيًا.

تقنيات الشحن اللاسلكي المختلفة المستخدمة في الشاحن اللاسلكي

منذ أن أصبح مفهوم نقل الطاقة اللاسلكية شائعًا ، توصل العلماء والمهندسون إلى طرق مختلفة لتحقيق هذا المفهوم. على الرغم من أن معظم هذه التجارب أدت إلى فشل أو نتائج غير عملية ، إلا أن القليل من هذه التجارب أسفر عن نتائج مرضية. هذه الطرق المختبرة والعملية لتحقيق نقل الطاقة اللاسلكي لها مزاياها وعيوبها وميزاتها. من بين هذه الطرق المختلفة ، يتم استخدام زوجين فقط في تصميم أجهزة الشحن اللاسلكية. بينما الأساليب الأخرى لها مجال التطبيق والمزايا الخاصة بها.

الآن من أجل فهم أفضل ، يتم تصنيف هذه الطرق بناءً على مسافة الإرسال ، والقدرة القصوى ، والطريقة المستخدمة لتحقيق نقل الطاقة. في الشكل أدناه ، يمكننا أن نرى الطرق المختلفة المستخدمة لتحقيق تقنية نقل الطاقة اللاسلكية وتصنيفها.

هنا،

• يعتمد التصنيف الأول والأهم على مدى إمكانية نقل الطاقة. في الأساليب التي تم تجربتها ، يكون بعضها قادرًا على توصيل الطاقة لاسلكيًا للأحمال على مسافة بعيدة بينما يمكن للآخرين توفير الطاقة لأحمال على بعد بضعة سنتيمترات فقط من المصدر. لذا فإن القسم الأول يعتمد على ما إذا كانت الطريقة هي الحقل القريب أو الحقل البعيد.
• يعتمد الاختلاف في القدرة على المسافة على نوع الظاهرة المستخدمة بواسطة طرق مختلفة لتحقيق نقل الطاقة اللاسلكي. على سبيل المثال ، إذا كان الوسيط المستخدم بواسطة طريقة توصيل الطاقة هو الحث الكهرومغناطيسي ، فلا يمكن أن تزيد المسافة القصوى عن 5 سم. وذلك لأن فقدان التدفق المغناطيسي يزداد بشكل كبير مع زيادة المسافة بين المصدر والحمل مما يؤدي إلى فقد طاقة غير مقبول. من ناحية أخرى ، إذا كان الوسيط المستخدم بواسطة طريقة توصيل الطاقة هو الإشعاع الكهرومغناطيسيثم يمكن أن تصل المسافة القصوى إلى بضعة أمتار. هذا لأنه يمكن تركيز الإشعاع الكهرومغناطيسي في نقطة محورية على بعد أمتار من المصدر. أيضًا ، تتمتع الطرق التي تستخدم الإشعاع الكهرومغناطيسي كوسيلة لتوصيل الطاقة بكفاءة أعلى مقارنة بالآخرين.
• من الطرق العديدة المذكورة أعلاه ، بعضها أكثر شيوعًا من البعض الآخر ، وتتم مناقشة الطرق الشائعة المستخدمة على نطاق واسع أدناه.

هناك طريقتان شائعتان لنقل الطاقة اللاسلكية تستخدمان الإشعاع الكهرومغناطيسي كوسيط - طاقة الميكروويف وقوة الليزر / الضوء

ميكروويف لاسلكي لنقل الطاقة

نظرًا لأن الاسم نفسه يعطيه بعيدًا في هذه الطريقة ، فإنه سيستخدم طيف الميكروويف من الإشعاع الكهرومغناطيسي لتوصيل الطاقة للتحميل. أولاً ، سيقوم جهاز الإرسال بسحب الطاقة من منفذ أو أي مصدر طاقة ثابت آخر ثم ينظم طاقة التيار المتردد هذه إلى المستوى المطلوب. بعد ذلك ، ستولد الطاقة المرسلة موجات ميكروويف عن طريق استهلاك مصدر الطاقة المنظم هذا. تنتقل أجهزة الميكروويف عبر الهواء دون أي انقطاع للوصول إلى جهاز الاستقبال أو الحمل. سيتم تجهيز جهاز الاستقبال بالأجهزة المناسبة لاستقبال إشعاع الميكروويف هذا وتحويله إلى طاقة كهربائية. هذه الطاقة الكهربائية المحولة تتناسب طرديًا مع كمية إشعاع الميكروويف التي تصل إلى جهاز الاستقبال ، وبالتالي يتم تحقيق نقل الطاقة اللاسلكية باستخدام إشعاع الميكروويف.

ضوء الليزر اللاسلكي لنقل الطاقة

يجب أن يكون أي شخص يتعامل مع الإلكترونيات والطاقة الكهربائية قد صادف مفهومًا يسمى توليد الطاقة الشمسية. وإذا كنت تتذكر بشكل صحيح ، فإن مفهوم توليد الطاقة الشمسية ليس سوى استخدام الإشعاع الكهرومغناطيسي للشمس لتوليد الكهرباء. يمكن أن تستند عملية التحويل هذه على أنظمة الألواح الشمسية أو التدفئة الشمسية أو أي أنظمة أخرى ويمكن بسهولة بناء شاحن الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الشمسية. لكن القضية الرئيسية هنا هي أن الطاقة التي تنقلها الشمس إلى الأرض تكون في شكل إشعاع كهرومغناطيسي وهي على وجه التحديد في الطيف المرئي ونقل الطاقة هنا لاسلكيًا. ومن هنا فإن مفهوم توليد الطاقة الشمسية هو في حد ذاته نظام نقل طاقة لاسلكي ضخم.

الآن ، إذا استبدلنا الشمس بمولد كهرومغناطيسي أصغر (أو مجرد مصدر ضوء) ، فيمكننا تركيز الإشعاع المتولد على حمولة تبعد مئات الأمتار عن مصدر الضوء. بمجرد وصول هذا الضوء المركز إلى اللوحة الشمسية لوحدة الاستقبال (أو الحمل) ، فإنه يحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية وهو الهدف الأصلي لإعداد نقل الطاقة اللاسلكية.

حتى الآن ، ناقشنا التقنيات أو الطرق القادرة على توصيل الطاقة للتحميل التي تبعد أمتار قليلة عن المصدر. على الرغم من أن هذه التقنيات لها القدرة على المسافة ، إلا أنها ضخمة ومكلفة ، لذا فهي غير مناسبة لتصميم شاحن الهاتف المحمول. أكثر الطرق العملية التي يمكن استخدامها لتصميم أجهزة الشحن اللاسلكية هي " نوع الاقتران الحثي" و " الحث الرنين المغناطيسي ". هاتان هما الطريقتان اللتان تستخدمان قانون فارادي للحث الكهرومغناطيسي كمبدأ والتدفق المغناطيسي كظاهرة انتشار لتحقيق نقل الطاقة اللاسلكي.

نقل الطاقة اللاسلكي باستخدام اقتران حثي

الإعداد المستخدم في التوصيل الاستقرائي مشابه جدًا للإعداد المستخدم في المحولات الكهربائية. لفهم أفضل ، دعونا ننظر في دائرة التطبيق النموذجية لطريقة نقل الطاقة اللاسلكية بالاقتران الحثي.

• في الرسم البياني أعلاه ، لدينا قسمان أحدهما عبارة عن إعداد لنقل الطاقة الكهربائية ، والآخر هو إعداد مستقبل الطاقة الكهربائية.
• كلا القسمين معزولان كهربائياً عن بعضهما البعض ويفصل بينهما عازل بعرض بضعة سنتيمترات. على الرغم من أن كلا القسمين لا يحتويان على أي تفاعل كهربائي ، لا يزال هناك اقتران مغناطيسي بينهما.
• يوفر مصدر جهد التيار المتردد الموجود في وحدة الإرسال الطاقة للنظام بأكمله.

العمل على نوع الاقتران الاستقرائي الإرسال اللاسلكي: من البداية ، يوجد تدفق تيار في ملف الموصل في وحدة المرسل لأن مصدر جهد التيار المتردد متصل بالأطراف الطرفية للملف. وبسبب هذا التدفق الحالي ، يجب إنشاء مجال مغناطيسي حول موصلات الملف الذي يتم لفه بإحكام حول قلب الفريت. بسبب وجود وسيط ، فإن كل التدفق المغناطيسي للملف يتركز على قلب الفريت. يتحرك هذا التدفق على طول محور نواة الفريت ويقذف في المساحة الخالية خارج وحدة النقل كما هو موضح في الشكل.

الآن ، إذا أحضرنا وحدة الاستقبال بالقرب من جهاز الإرسال ، فإن التدفق المغناطيسي المنبعث من جهاز الإرسال سيقطع الملف الموجود في وحدة الاستقبال. نظرًا لأن التدفق الذي تولده وحدة الإرسال يتغيّر في التدفق ، فيجب تحفيز EMF في الموصل الذي تم إحضاره في نطاقه وفقًا لقانون Faradays للحث الكهرومغناطيسي. بناءً على هذه النظرية ، يجب أيضًا إدخال EMF في ملف الاستقبال الذي يعاني من التدفق المغناطيسي المتولد عن جهاز الإرسال. سيتم تصحيح هذا الجهد المتولد وتصفيته وتنظيمه للحصول على جهد تيار مستمر مناسب وهو أمر ضروري للغاية لوحدة التحكم في النظام.

في بعض الحالات ، يتم أيضًا التخلص من قلب الفريت لجعل جهاز الإرسال والاستقبال أكثر إحكاما وخفة. يمكنك رؤية هذا التطبيق في شاحن الهاتف المحمول اللاسلكي وزوج الهاتف الذكي. كما نعلم جميعًا ، تتنافس الصناعات حاليًا على إطلاق هواتف ذكية عالية الأداء وأجهزة أخرى أخف وزنًا وأقل حجمًا وأكثر برودة. يعاني المصممون حرفيًا من كوابيس لتحقيق هذه الميزات دون المساس بالأداء ، لذا فإن جعل الجهاز ضخمًا فقط من أجل نقل الطاقة لاسلكيًا أمر غير مقبول. لذلك ابتكر المصممون والهندسة وحدات أكثر نحافة وأخف وزنًا يمكن تركيبها في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية.

هنا يمكنك رؤية الهيكل الداخلي لأحدث شاحن لاسلكي.

سيكون للهاتف الذكي المزود بقدرة لاسلكية أيضًا ملف مشابه لجعل الحث الكهرومغناطيسي ممكنًا. يمكنك أن ترى في الشكل أدناه ، كيف يتم توصيل الملف النحيف في الطرف السفلي للهاتف الذكي بالقرب من البطارية. يمكنك أن ترى كيف صمم المهندسون هذا الشاحن اللاسلكي نحيفًا للغاية دون المساومة على أدائه. يشبه عمل هذا الإعداد الحالة التي تمت مناقشتها أعلاه باستثناء أنه لا يحتوي على أي نواة من الفريت في مركز اللف.

على الرغم من أن طريقة نقل الطاقة هذه من خلال الحث الكهرومغناطيسي تبدو سهلة ولكنها لا يمكن مقارنتها بطريقة فعالة لتوصيل الطاقة عبر الكبل.

نقل الطاقة اللاسلكي القائم على الحث بالرنين المغناطيسي

الحث بالرنين المغناطيسي هو شكل من أشكال الاقتران الاستقرائي حيث يتم نقل الطاقة بواسطة المجالات المغناطيسية بين دائرتين رنانيتين (دارات مضبوطة) ، واحدة في جهاز الإرسال والأخرى في المستقبل. لهذا السبب ، يجب أن يكون إعداد دائرة حث الرنين المغناطيسي مشابهًا جدًا لدائرة الاقتران الحثي التي ناقشناها سابقًا.

يمكنك أن ترى في هذا الشكل باستثناء وجود مكثفات متسلسلة ، فإن الدائرة بأكملها تشبه الحالة السابقة.

العمل: إن عمل هذا النموذج مشابه جدًا للحالة السابقة باستثناء هنا يتم ضبط الدوائر الموجودة في المرسل والمستقبل للعمل على تردد الطنين. يتم توصيل المكثفات بشكل خاص في سلسلة مع كلا الملفين لتحقيق هذا التأثير الرنان.

كما نعلم جميعًا ، فإن المكثف المتسلسل مع محث سيشكل دائرة LC متسلسلة كما هو موضح في الشكل. ويمكن إعطاء قيمة التردد الذي ستعمل به هذه الدائرة عند الرنين ،

F _ص = 1/2 (LC) ^1/2

هنا L = قيمة المحث و C = قيمة المكثف.

باستخدام نفس الصيغة ، سنحسب قيمة تردد الرنين لدائرة مرسل الطاقة ونضبط تردد مصدر طاقة التيار المتردد على تلك القيمة المحسوبة.

بمجرد ضبط تردد المصدر ، ستعمل دائرة الإرسال مع دائرة المستقبل على تردد الطنين. بعد ذلك ، يجب إحداث EMF في دائرة الاستقبال وفقًا لقانون Faradays للتحريض كما ناقشنا في الحالة السابقة. وسيتم تصحيح هذه المجالات الكهرومغناطيسية المستحثة وتصفيتها وتنظيمها للحصول على جهد تيار مستمر مناسب كما هو موضح في الشكل.

حتى الآن ، ناقشنا العديد من التقنيات التي يمكن استخدامها لنقل الطاقة اللاسلكية جنبًا إلى جنب مع دوائر التطبيق النموذجية الخاصة بهم. ونستخدم هذه الطرق لتطوير دوائر لجميع أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية مثل الشاحن اللاسلكي ونظام الشحن اللاسلكي للسيارات الكهربائية ونقل الطاقة اللاسلكي للطائرات بدون طيار والطائرات وما إلى ذلك.

معايير نقل الطاقة اللاسلكية

الآن مع قيام كل شركة بتطوير منتجاتها ومحطات الشحن الخاصة بها ، هناك حاجة إلى معايير مشتركة بين جميع المطورين من أجل جعل المستهلك يختار الأفضل بين محيط الخيارات. لذلك يتم اتباع معيارين من قبل جميع الصناعات التي تعمل على تطوير أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية.

المعايير المختلفة المستخدمة لتطوير أجهزة نقل الطاقة اللاسلكية مثل الشاحن اللاسلكي:

معايير "Qi" - من قبل اتحاد الطاقة اللاسلكي:

• التكنولوجيا - حثي ، رنان - تردد منخفض
• طاقة منخفضة - 5 واط ، طاقة متوسطة - 15 واط ، أجهزة المطبخ اللاسلكية Qi من 100 واط إلى 2.4 كيلو واط
• نطاق التردد - 110 - 205 كيلو هرتز
• المنتجات - أكثر من 500 منتج وتستخدم في أكثر من 60 شركة للهواتف المحمولة

معايير "سلطة النقد الفلسطينية" - بواسطة Power Matter Alliance:

• التكنولوجيا - حثي ، طنين - تردد عالي
• الحد الأقصى لمخرج الطاقة من 3.5 واط إلى 50 واط
• مدى التردد - 277-357 كيلوهرتز
• المنتجات - يتم توزيع وحدتين فقط ولكن 1،00،000 وحدة حصائر كهربائية على مستوى العالم

مزايا الشاحن اللاسلكي

• يعد الشاحن اللاسلكي مفيدًا جدًا لشحن الأجهزة المنزلية مثل الهاتف الذكي والكمبيوتر المحمول و iPod والكمبيوتر المحمول وسماعات الأذن وما إلى ذلك ،
• يوفر وسيلة مريحة وآمنة وفعالة لنقل الطاقة دون أي وسيط.
• صديقة للبيئة - لا تؤذي أو تؤذي الإنسان أو أي كائن حي.
• يمكن استخدامه لشحن الغرسات الطبية مما يؤدي إلى تحسين نوعية الحياة وتقليل مخاطر الإصابة.
• لا داعي للقلق المعتاد بشأن تآكل قابس الطاقة.
• لقد انتهى التحسس بشأن اتجاه كابل الطاقة باستخدام أجهزة الشحن اللاسلكية.

عيوب الشاحن اللاسلكي

• كفاءة أقل وفقدان طاقة أكبر.
• تكلف أكثر من شاحن الكابل.
• إصلاح الخلل صعب.
• غير مناسب لتوصيل الطاقة العالية.
• تزداد خسائر الطاقة مع الحمل.