انتقال بی سیم برق

بشر با توسعه اولین شبکه‌های انتقال برق توسط کابل‌های فلزی در فکر حذف این کابل‌ها و انتقال بی سیم الکتریسیته بوده است. در بیش از 100 سال گذشته همواره تلاش‌هایی به منظور تحقق این رؤیا انجام گرفته و طرح‌های متعددی ارائه شده و حتی استانداردهایی هم برای این تکنولوژی ارائه شده است.

در این بخش از مگنت 98 سعی می‌کنیم نگاهی داشته باشیم به مهمترین موارد در ارتباط با این رویای قدیمی و پیشرفتهای صورت گرفته برای تحقق آن.

در سال‌های اخیر و با پیشرفت‌های مهم انجام گرفته در زمینه انتقال بی سیم توان، شاهد محصولاتی هستیم که از این تکنولوژی برای شارژ استفاده می‌کنند. از این محصولات می‌توان به گوشی‌های تلفن همراه، پاور بانک و ساعت هوشمند اشاره کرد. گوشی‌ها و تجهیزات بسیاری در حال تولید هستند که با قرارگیری بر روی پد مخصوص شارژ بی سیم، شارژ می‌شوند و تعداد این محصولات روز به روز در حال افزایش است.

تاریخچه انتقال بی سیم توان

در اواخر قرن نوزدهم، نیکولا تسلا رؤیای جهانی را در سر داشت که به صورت بی سیم به همه نقاط آن، برق منتقل می‌شود. تسلا سعی داشت به کمک پدیده تشدید، الکتریسیته را به صورت بی سیم منتقل کند، ولی متأسفانه، رؤیای او به واقعیت تبدیل نشد. با این وجود، تسلا به عنوان پیشگام انتقال بی سیم توان شناخته می‌شود.

تقریباً در همان دوران تسلا (سال 1894)، Hutin و LeBlanc روش و دستگاهی را برای انتقال توان به خودروی الکتریکی با استفاده از یک ژنراتور القایی جریان AC پیشنهاد کردند که با فرکانس در حدود 3 کیلوهرتز کار می‌کرد.

خودروهای الکتریکی به فاصله کوتاهی پس از موتور بخار و در حدود 100 سال پیش، توسعه پیدا کردند، ولی با گسترش موتورهای احتراق داخلی محبوبیت خود را از دست دادند. در نتیجه، پس از Hutin و LeBlanc کوپل القایی برای شارژ خودروهای الکتریکی مشابه با رؤیای تسلا برای انتقال بی سیم برق، به فراموشی سپرده شد.

پس از رؤیای تسلا، تلاش‌های مداومی برای انتقال بی سیم برق در حال انجام بوده است. در سال 1926 دو دانشمند به نام‌های Yagi و Uda (مخترعان آنتن Yagi–Uda) آزمایش‌های جالبی انجام دادند، آن‌ها المان‌هایی را بدون تغذیه در بین آنتن‌های فرستنده و گیرنده با فرکانس 68MHz قرار دادند. این تجهیزات کانال موج نامیده می‌شود و مشابه با آنتن Yagi–Uda می‌باشد.

آزمایش آن‌ها انتقال بی سیم الکتریسیته با استفاده از امواج رادیویی بود، ولی این روش را می‌توان از نوع انتقال توان جفت شده نیز نامید، چون توان بی سیم توسط آنتن‌ها و انتقال دهنده‌های جفت شده به عنوان مشدد، منتقل می‌شود. آن‌ها به شکل موفقیت آمیزی توانستند در حدود 200 میلی وات را با انتقال 2 تا 3 وات توان، دریافت کنند.

در همان دوران (سال 1933 میلادی) و در ایالات متحده، دانشمندی به نام Noble از امواج رادیویی با فرکانس 100MHz برای انتقال بی سیم توان در نمایشگاه جهانی Chicago، استفاده کرد. فاصله بین آنتن‌های فرستنده و گیرنده 5 تا 12 متر و میزان توان منتقل شده در حدود 15 کیلو وات بود.

پس از جنگ جهانی دوم، رؤیای انتقال بی سیم توان دوباره پی گرفته شد. به طور مثال در دهه 1960، توسط Brown در کشور آمریکا و با استفاده از امواج مایکروویو. همچنین، آزمایش اولین پهپاد که توان مورد نیاز آن توسط انتقال توان وایرلس تأمین می‌شود توسط Brown در دهه 1960 انجام گرفت.

به ‌جز چند شارژر القایی برای تلفن بی سیم، مسواک برقی و دستگاه اصلاح صورت، تکنولوژی انتقال بی سیم برق، تبدیل به یک تکنولوژی فراموش شده گردید.

به منظور اوج‌گیری دوباره رؤیای انتقال بی سیم الکتریسیته باید تا اوایل قرن 21 صبر می‌کردیم. پس از یک قرن از دوران تسلا، Hutin و LeBlanc، همچنان همان رؤیای انتقال بی سیم توان در حال پیگیری است. در طول این 100 سال مطالعات و آزمایش‌های بسیاری برای توسعه انتقال وایرلس برق، انجام شده و محصولات زیادی نیز معرفی شده‌اند. نحوه کارکرد سیستم انتقال بی سیم توان به سه شکل متفاوت قابل تقسیم است:

انتقال بی سیم برق از طریق کوپلینگ الکترومغناطیس
انتقال بی سیم برق به صورت غیر کوپل
انتقال بی سیم برق با روش تابشی

انتقال بی سیم برق از طریق کوپلینک الکترومغناطیس

این روش که به عنوان انتقال برق فاصله نزدیک نیز شناخته می‌شود، از میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی با فرکانس بالا استفاده می‌کند. هنگامی که در این روش از میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌شود به آن کوپلینگ القایی نیز گفته می‌شود.

انتقال بی سیم برق با روش تابشی

این روش که به عنوان انتقال وایرلس فاصله بلند شناخته می‌شود، از امواج رادیویی برای انتقال برق استفاده می‌کند. انتقال توان از طریق امواج رادیویی به‌وسیله معادلات ماکسول تشریح می‌شود.

در سال‌های اخیر انتقال بی سیم توان با روش کوپلینگ تشدیدی، به عنوان نسخه‌ای بهینه از کوپلینگ القایی توسعه پیدا کرده است. یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه MIT یک سیستم مبتنی بر کوپلینگ تشدیدی ارائه کردند که به کمک پدیده تشدید، فاصله میان فرستنده و گیرنده را نسبت به حالت کوپلینگ القایی معمولی، افزایش می‌دهد. محققین MIT توانستند یک لامپ 60 واتی را از فاصله 2 متری روشن کنند. در مجموعه آن‌ها از دو کویل مسی با قطر 60 سانتیمتر استفاده شده بود.