Bezdrátové nabíjení akumulátorů

Martin Šrubař · 28. 12. 2006

Technologie

Představte si, že k vašemu notebooku na stole nevedou žádné dráty, a přesto můžete pracovat libovolně dlouho. Co je to nabíjení mobilu? Na to už jste dávno zapomněli. Taková je vize pohánění elektroniky budoucnosti. Toužíme po tom všichni. Jak toho dosáhnout? Způsoby bezdrátového přenosu elektrické energie jsou známé, ale ne vždy vhodné pro tento účel.

Bezdrátové nabíjení s problémy

Technologie bezdrátového přenosu energie jsou známy již velmi dlouho. Jsou to zejména přenos elektromagnetickou indukcí nebo elektromagnetickými vlnami. Nesou s sebou však problémy. Pokud mají pracovat na velkou vzdálenost, stávají se výrazně méně efektivní a zároveň jejich okolí není zrovna příznivé k dlouhodobému pobytu živých organizmů. Nový způsob využívající tlumených elektromagnetických vln zatím nebyl prakticky otestován.

Elektromagnetická indukce

Elektromagnetická indukce je zcela nejběžnější způsob bezdrátového přenosu, ale i přeměny elektrické energie vůbec. Používá se ve velké elektroenergetice – od generátoru v elektrárně přes transformátory až po nabíječky na mobil. Několik zařízení pro bezdrátové nabíjení indukci také využívá, ovšem ne zrovna efektivně. Telefon, PDA nebo cokoliv chceme nabíjet se přiloží k desce a nabíjí se. nepotřebujeme konektor a drát, ale elektronika řídící nabíjení je složitější, přenos indukcí neefektivní. Jedná se v podstatě o transformátor bez železného jádra. A v tom je problém – jádro běžného transformátoru v sobě uzavírá magnetický tok, a tak výrazně snižuje ztráty. Má-li být zařízení odnímatelné, toto možné není, a účinnost tedy klesá.

Schematický nákres cívky vytvářející ve svém okolí magnetické pole

Zásadním problémem je, že indukci nelze použít pro přenos na větší vzdálenosti. Ne že by tomu bránily nějaké fyzikální principy, ale pro člověka není dobré se dlouhodobě pohybovat v intenzivním elektromagnetickém poli. Některé lékařské studie zjistily, že lidé bydlící v okolí do půl kilometru od vedení velmi vysokého napětí jsou vystaveni několikanásobně vyššímu riziku vzniku leukémie než lidé bydlící dále. I když byl výzkum různě zpochybňován, minimálně z psychologického hlediska tento způsob není k dálkovému nabíjení vhodný. Proměnné elektrické pole by také indukovalo proud v každé smyčce z vodivého materiálu, čímž by znemožnilo funkci jakéhokoliv dalšího zařízení v dosahu bezdrátové nabíječky. Evidentně tudy cesta nevede.

Elektromagnetické vlny

Laserem je možné přenášet velké množství energie

Opět běžně používaný způsob přenosu energie. Nejběžnější laser a mikrovlny vidíme všude kolem sebe. Laser tvoří elektromagnetické vlny nízké vlnové délce obvykle z oblasti viditelného světla. Vzhledem k principu fungování laseru se energie přenáší ve velmi úzkém paprsku. To je na jednu stranu dobře, ale na druhou to vyžaduje přímou viditelnost mezi zdrojem a příjemcem, což je pro předpokládané použití zcela nevhodné. Navíc transformace elektrické energie na laserové světlo a zpět je velice neefektivní. Kolečko elektřina – laser – elektřina má účinnost 1 až 5 %. Nic moc. Tudy také ne.

O něco slibněji se jeví mikrovlny. Tytéž mikrovlny, které v troubě ohřejí cokoliv od pizzy po mokrou kočku. Lze je snadno a efektivně generovat a dokonce s pomocí rektifikační antény zachycovat a přímo měnit na elektřinu s účinností až 90 %. Avšak jak už případ s kočkou, která se v mikrovlnce upekla, místo aby se usušila, ukázal, lidem by mikrovlnné záření neprospívalo.

Takže jak tedy můžeme přenášet efektivně a bezpečně elektrickou energii bez drátů?

Přenos tlumenými vlnami

Výsledek numerického modelování přenosu energie tlumenými vlnami

Energii lze přenášet také tlumenými elektromagnetickými vlnami. Vědci nedávno přišli na to, jak využít nezářivého elektromagnetického pole, které tvoří tlumené elektromagnetické vlny. Vytvářené pole by mělo být netečné ke všemu ve svém okolí kromě speciálních přijímačů z dielektrika (nevodivého materiálu), které s vytvářeným polem rezonují, vytvářejí běžné elektromagnetické vlny, které se poté opět rektifikují, a tak přímo mění na elektrické napětí. Bohužel tomuto jevu nijak nerozumím, takže lepší vysvětlení podat nedokáži. Zajímají-li vás tlumené vlny více, můžete si přečíst články na Wikipedii Evanescent wave coupling a příslušnou část článků Wireless energy transfer.

Tento perspektivní způsob přenosu by měl být schopný vysílat energii až do vzdálenosti pěti metrů bez sebemenších problémů. Všechno, co bylo zjištěno, bylo pouze vypočítáno. Experimenty ověřující praktické výkony a chování v běžných podmínkách ještě neproběhly.

Svět bez drátů

Ač žádné z uvedených technologií zatím nemá praktické využití, vývoj a zejména poptávka uživatelů nutí firmy se bezdrátovými přenosy energie, ale i dat intenzivně zabývat. V budoucnu bude běžné, že v místnostech bude univerzální dálkový zdroj energie pro všechna zařízení s malou spotřebou, a dojde tak k pročištění “zadrátovaných” domácností a firem. V blízké budoucnosti se bude jednat zejména o věci, u nichž je nabíjení skutečně otravné – mobily, notebooky, PDA. To jsou zařízení, u kterých bychom byli nejraději, kdyby fungovaly samy o sobě bez toho, aniž bychom se o cokoliv museli starat. Rozšíření pro další použití závisí na efektivitě bezdrátového přenosu elektrické energie.

Budeme někdy moci nabíjet PDA bez drátů?

Doprava ve městech by se obešla bez trolejového vedení a místo toho by pouze byly zářiče pod povrchem. Při opravdu velkém dosahu by i letadla mohla být poháněna vzdáleným zdrojem energie a co teprve kosmické lodě? To už začíná být zajímavé. Cena dopravy nákladu na oběžnou dráhu by tak mohla být mnohem jednodušší i levnější. To už jsme od nabíjení mobilů hodně vzdáleni. Každopádně považuji vyřešení efektivního přenosu energie bez drátů na větší vzdálenosti za věc, kterou firmy i vědci řešit chtějí, a tudíž ji i brzy vyřeší.

Další zdroje informací

• Wireless energy could power consumer, industrial electronics – tisková zpráva MIT
• Gadget recharging goes wireless – článek na PhysicsWeb.org
• Wireless energy could power consumer, industrial electronics – článek na Physorg.com
• Wireless Non-Radiative Energy Transfer – vědecká zpráva popisující výpočtové zkoumání dálkového přenosu energie pomocí tlumených vln

Komentáře

VV – WWW – 29.12.2006

Musim Vas upozornit na jeden fakt ohledne elektromagnetickeho zareni VVN:For some time, a theory circulated in the media and among the public that exposure to electromagnetic fields could be one of the causes of leukemia. Both everyday electrical appliances and power lines generate electromagnetism. Clinical investigations have not indicated that exposure to electromagnetism is a significant risk.(http://www.about-leukemia.com/html/causes.php3)Nedelam to rad, uz proto, ze jsem take rad siril zarucene informace, ze zareni z VVN velmi skodi, rad jsem uvadel priklad Radia Vatican, jehoz anteny ve tvaru krizu zari na cele okoli a zpusobuji leukemii. Az tak, ze se predni vatikansti biskupove diky soudnimu narizeni musi na tydny stehovat k antenam, aby okusili, jake to je pro tamni obyvatelstvo. Zase musim vyskrtnout jednu milou urban legend :]

Martin – WWW – 31.12.2006

[1] Děkuji za upřesnění. Četl jsem kdysi nějakou zprávu, která vliv vedení VVN zpochybňovala, ale nechtělo se mi to dohledávat. Proto jsem to také napsal velmi neurčitě. Děkuji za odkaz.

Jirka – 2.1.2007

Nedovedu si představit kdo zaplatí energii pro zářič pokud jsou např. dvě kanceláře různých firam vedle sebe a jedna má zářič a druhá na přesto si z něho nabíjí svá zařízení (přes zeď...).

Martin – WWW – 2.1.2007

[3] Narazil jsi na zajímavý problém. Bude možné zařídit, aby spotřebiče brali energii jen ze zdroje, který jim to povolí? Otevře se tak možnost pro podnikání, že v restauracích a kavárnách budou nabízet elektřinu pro notebooky za poplatek? Uvidíme, každopádně to bude zajímavé.

Prokop – 19.3.2007

Nemuzu rici ze bych sireni energie pomoci evanescentnich vln nejak detailne rozumel, ale z toho co znam napr. z optiky jsem skepticky ze dvou duvodu.1)Jejich energie klesa se vzdalenosti priblizne exponencialne takze jednak pasmo ve kterem budou ucine bude velmi uzke a nerovnomerne a jednak v blizkosti zdroje musi byt pole velmi silne.2)To ze tyto vlny intereaguji pouze s onim reoznancnim obvodem bych rekl je prave jednou z nepresnosti o kterych se mluvi na wikipedii, stejne jako v pripade inducke v bliskosti zdroje je realne elektricke a magneticke pole ktere se projevuje jako kazde jine. Prezto je fakt ze pri vysokych frekvencich a uzke spektralni care je rezonantni vazba mezi dvema vlnovody nesrovnatelne silnejsi nez nerezonancni vazba, to se vsak v nicem nelisi od klasickeho vysilace elektromagnetickeho vlneni - takze byd v blizkosti evanenscentni dobijecky na vysokych frekvenci nese stejne (nejspis zanedbatelne) zdravotni rizika jako byt v bliskoti radioveho vysilace. Jinak v opticke se vazby evanenscentnych vln vyuziva bezne v optoelektronickych prvcich, vlaknovych laserech atd. napr. v spatnem optickem vlakne se cast energie straci prave utlumem evanescentnich vln v plasti kde jde o vazbu nerezonantni, takze je videt ze evanescentni vlny na sve okoli pusobi i kdyz snim nejsou v rezonanci.

Martin – WWW – 19.3.2007

[5] Děkuji za zajímavý odborný komentář. Jsem si jistý, že vědci o těchto problémech věděli, ale pochopitelně je nezveřejňovali, aby na sebe lépe upoutali pozornost. Tak už to chodí. Jsem rád, že jsi aspoň čtenářům Techblogu sundal růžové brýle.

krakonos – 2.8.2008

Ahoj,tento článek je celkem působivý,ale jako elektrotechnik musím říci,že to je směs polopravd a blábolů.Už v minulé století tento problém řešil pan Tesla (doporučuji prostudovat). Podobný žánr produkuje jakýsi "Magazín MW" , to je taky taková mystifikace něco jako Jára Cimrman . PS.ten to ale už žejmě dávno vyřešil

Vojtěch Fišer – 3.11.2009

Jsem starý radiotechnik a nyní mně přišlo řešit efektivní bezdrátové nabíjení jakýchsi ovladačů s 3Ah Li Pol. Článek, který zde čtu je 2 roky starý ale podle mého hledání na net(u) jsem našel nabídky na bezdrátové nebo bezkontaktní nabíjení klamavé. Byly to v podstatě marketingové lsti nebo lži. Bezdrátové to třeba bylo ale jednalo se o chytře rozmístěné a nenápadné kontakty. Jedno skutečně bezdrátové s magnetickou vazbou se chlubilo výzkumem v Cambridge a dálněvýchodní realizací. Na pokus zakoupit reagovali odkazem na evropské distributory, ti buď neexistovali nebo nekomunikovali. Výrobce sám sliboval uvedení na trh letos. Pominu-li nabíjení holicích strojků a zubních kartáčků s několikaminutovým denním provozem a celodenním nabíjením je jistě efektivní nabíjení za dobu 3-5hodin a aku nad 2Ah problém. Plyne z fyziky elektromagnetického pole. To popsal Maxwell ve 4+4 rovnicích a nejspíše to nemůže změnit, byť byl geniální by to asi neudělal ani za svého života. I obcházení problémů ziskem zářičů stále podléhá Maxwelovi a energetická hustota pole se vzdáleností na kterou se nabíjí klesá dramaticky jak učí ty rovnice. Nabíjet určitě lze bezdrátově ale účinnost a hygienická omezení jdou proti efektivnímu technickému řešení příliš tvrdě.

Martin – WWW – 4.11.2009

[8] Dekuji za zajimavy a fundovany komentar.

Komentáře můžete zaslat na tento email.

Share: Twitter, Facebook