کاربردهای انتقال بی سیم برق در صنعت حمل و نقل
یکی از اولویت‌های شهرهای بزرگ، مسئله آلودگی هوا است و با توجه به اینکه خودروهای الکتریکی می‌توانند در کاهش آلودگی هوای شهرها نقش بزرگی داشته باشند، تلاش‌های بسیاری در سراسر جهان برای افزایش تعداد و میزان استفاده از این خودروها در جریان است. به خصوص خودروهای عمومی از قبیل اتوبوس‌ها که دائماً در سطح شهر در حال حرکت هستند و آلودگی بالایی دارند.
اتوبوس‌های شهری معمولاً با سوخت دیزل کار می‌کنند و چون وزن بالایی دارند و تعداد مسافر زیادی جابجا می‌کنند موتورهای پرقدرت و آلوده کننده‌ای دارند و به همین دلیل می‌توان با برقی کردن آن‌ها از آلودگی هوای شهرها کم کرد. علاوه بر این، اتوبوس‌ها معمولاً از مسیرهای مشخصی عبور کرده و در محل‌های مشخصی (ایستگاه) پارک می‌کنند، به همین دلیل نصب سیستم‌های انتقال بی سیم توان در مسیر حرکت آن‌ها و همچنین ایستگاه‌هایشان به نسبت سایر خودروها آسان‌تر است و می‌توان از محل‌های توقف آن‌ها به عنوان ایستگاه شارژ نیز استفاده کرد.
شارژ خودروهای تمام الکتریکی یک مسئله مهم در به کارگیری روزانه آن‌ها می‌باشد و روش‌های متنوعی برای حل این مسئله ارائه شده است که یکی از آن‌ها شارژ بی سیم در حین حرکت و یا زمان توقف خودرو می‌باشد. در ادامه برخی از پروژه‌های انجام گرفته و همچنین ایده‌های استفاده از خودروهای الکتریکی با قابلیت شارژ بی سیم بیان می‌شود.
پروژه اتوبوس دانشگاه UTAH
یک استارتاپ به نام WAVE پروژه‌ای را برای شارژ بی سیم اتوبوس‌های برقی شروع کرده است که توان 25 کیلو وات را توسط امواج 20 کیلوهرتز، و از فاصله 6 تا 10 اینچی (15 تا 25 سانتی‌متری) به اتوبوس منتقل می‌کند. یک کویل به توان 50 کیلووات در زمین کار گذاشته شده و مشابه آن بر روی اتوبوس نیز نصب شده است.
Qualcomm HaloIPT
کوالکام شرکت HaloIPT را که در زمینه شارژ بی سیم خودروهای الکتریکی فعالیت می‌کند را خریداری کرده و وارد پژوهش در این زمینه شده است. HaloIPT یک شرکت نیوزلندی است که تحقیقات انجام گرفته در دانشگاه Auckland در بخش شارژ بی سیم را تجاری سازی می‌کند. با توجه به اینکه کوالکام یکی از مهم‌ترین شرکت‌های ساخت تجهیزات گوشی‌های تلفن همراه و به طور کلی تجهیزات همراه است، این اقدام کوالکام گام مهمی در زمینه فراگیر شدن شارژ بی سیم خودروهای الکتریکی می‌باشد.
EVATRAN
این شرکت مجموعه‌های شارژ بی سیم را بر روی خودروهای الکتریکی نصب می‌کند. همچنین سیستم شارژ به صورت مستقل نیز توسط این شرکت ساخته شده و به فروش می‌رسد.
Eaton Hevo
در سال 2013، Eaton از مجموعه شارژ مخصوص خود با توان 200 کیلو وات تا یک مگاوات رونمایی کرد که می‌تواند خودروهای الکتریکی را با سرعت بالاتری شارژ کند. این محصول در برخی شهرها از قبیل تالاهاسی و ورکستر نصب شده است. تصویر اتوبوس هماهنگ شده با این سیستم (Proterra EcoRide BE35) در شکل پایین نشان داده شده است.
Hevo در حال ساخت و تست درپوش‌های فاضلابی است که می‌توانند خودروها را نیز شارژ کنند (شکل 4-8). این درپوش‌ها هنگامی که خودروی الکتریکی بر روی آن‌ها قرار می‌گیرد، خودرو را در سرعت‌های معمول خیابان، شارژ می‌کنند.
همچنین Hervo اپلیکیشنی برای تلفن‌ها همراه ارائه کرده است که بوسیله آن، رانندگان می‌توانند ایستگاه‌های شارژ را پیدا کرده، آن را رزرو کرده و هماهنگ سازی محل دقیق شارژر با خودرو را انجام دهند.
همچنین مراحل شارژ را با گوشی خود، کنترل کرده و هزینه شارژ را نیز با گوشی، پرداخت کنند.
Momentum Dynamics
این شرکت تجهیزات مناسب برای شارژ خودروهای برقی در ابعاد مختلف تا سایز اتوبوس را تولید می‌کند. تجهیزات ساخت این شرکت می‌توانند از فاصله 12 اینچی (حدود 30 سانتیمتر) توان 30 کیلو وات را منتقل کنند.
Fulton Innovation
این شرکت تمرکز خود را بر روی محصولات شرکت خودروسازی Tesla گذاشته است و محصولاتی برای شارژ این خودروهای الکتریکی ارائه می‌کند. تسلا مهم‌ترین سازنده خودروهای تمام برقی است و مدل‌های متنوعی از خودروهای سواری را در خط تولید خود دارد. این شرکت در حال گسترش بازار خود به سمت خودروهای سنگین نیز می‌باشد.
Powermat
این شرکت تجهیزاتی برای شارژ خودروی Chevy VOLT ارائه کرده است.
Oak Ridge National Lab
آزمایشگاه ملی Oak Ridge در حال توسعه و ثبت اختراع سیستم انتقال توان بی سیمی است که بتواند به خودروها در حالت توقف و حرکت، توان رسانی کند. این سیستم بر روی خودروهای هیبریدی از قبیلی تویوتا پریوس و Chevy Volt نصب و آزمایش شده است. یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های به دست آمده توسط این آزمایشگاه، افزایش بازده انتقال بدون نیاز به افزایش چگالی توان در محدوده فرکانس تشدید، می‌باشد.
اتوبوس‌های شهری
یکی از مهم‌ترین بخش‌های انتقال بی سیم توان که می‌تواند نقش موثری در کاهش آلودگی هوای شهرها داشته باشد اتوبوس‌های شهری هستند. در حال حاضر طرح‌های متعددی توسط نهادهای دولتی به منظور افزایش سرعت توسعه این اتوبوس‌ها مورد حمایت مالی قرار می‌گیرد که هدف آن‌ها شارژ سریع اتوبوس در ایستگاه و یا در حین حرکت می‌باشد. این طرح‌ها هنوز در مراحل ابتدایی هستند و نمی‌توان در مورد موفقیت تجاری آن‌ها اظهار نظر کرد. در ادامه برخی از این طرح‌ها معرفی می‌شوند.
انستیتو علوم و تکنولوژی‌های پیشرفته کره جنوبی
این انستیتو یکی از پیشروترین گروه‌های تحقیقاتی در زمینه خودروهای الکتریکی با قابلیت شارژ بی سیم است که طرح‌های متنوعی از قطار برقی گرفته تا اتوبوس برقی با قابلیت شارژ بی سیم طراحی کرده و ساخته است.
در شکل پایین قطار الکتریکی آن-لاین که توسط این انستیتو (Korea Advanced Institute Of Science & Technology ) برای جابجایی مسافرین در پارک سئول ساخته شده نشان داده شده است. این قطار از یک موتور و سه واگن مسافری تشکیل شده است و یک مسیر 2200 متری را در داخل پارک می‌پیماید. حدود 16 درصد از این مسیر به سیستم‌ها انتقال بی سیم توان تجهیز شده است که می‌تواند با فاصله هوایی 13 سانتی‌متری موجود بین قطار و سطح زمین، توان 62 کیلو وات در ساعت را با بازده 74 درصد به قطار منتقل کنند.
در شکل پایین اتوبوس الکتریکی ساخته شده توسط KAIST نشان داده شده است، این اتوبوس به صورت آن-لاین و با حرکت بر روی مسیر ویژه شارژ، باطری‌های خود را شارژ می‌کند.
نسل جدید اتوبوس‌های انستیتو علوم و تکنولوژی‌های پیشرفته کره که در شکل پایین نشان داده شده است، دارای بازده بالاتر (85%) در انتقال توان 100 کیلو وات با فاصله هوایی 17 سانتیمتر هستند و از باطری‌های کوچک‌تر و سبک‌تری استفاده می‌کنند. این اتوبوس‌ها در شهر Gumi مورد استفاده قرار می‌گیرند.
CARTA
CARTA در همکاری با CERTA در دانشگاه تنسی سیستم شارژی را برای اتوبوس نشان داده شده در شکل پایین، ابداع کرده‌اند. این سیستم می‌تواند در فرکانس 20 کیلوهرتز، توان 60 کیلو وات را به مدت سه دقیقه انتقال دهد.
AVTA
AVTA فعلاً دو اتوبوس برقی با قابلیت شارژ خودکار را به خدمت گرفته است. چنین طرح‌هایی در صورت موفقیت می‌توانند موجب افزایش استفاده از اتوبوس‌های با شارژ بی سیم توسط سایر شرکت‌ها و شهرها شوند.
LBT
LBT شارژهای با توان 50 کیلو وات در زیر زمین کار گذاشته شده و اتوبوس‌های برقی این مسیر را شارژ می‌کنند.
ایتالیا
انتقال بی سیم توان برای بیش از 40 اتوبوس در شهرهای تورین و جنوا برای 10 سال به شکل موفقیت آمیزی در حال انجام بوده است. در تورین، ناوگانی متشکل از 23 اتوبوس الکتریکی، در هنگام توقف در ایستگاه، انرژی الکتریسیته دریافت می‌کنند. سیستم شارژ این اتوبوس‌ها می‌تواند توان 60 کیلووات را با بازدهی 90 درصد به اتوبوس منتقل کند.
هزینه برق برای هر اتوبوس در حدود 9000 دلار در سال بوده است، در حالی که هزینه سوخت دیزل این اتوبوس‌ها حدود 50000 دلار در سال، می‌باشد.
آلمان
دو اتوبوس برقی با قابلیت شارژ بی سیم، به مدت 12 ماه در شهر مانهیم آلمان در حال تست بوده‌اند. پدهای شارژ بدون سیم در محل‌های مشخص قرار داده شده‌اند که فقط وقتی اتوبوس بر روی آن‌ها قرار دارد، فعال می‌شوند.
اتوبوس با 12 دقیقه توقف بر روی پد، به طور کامل شارژ می‌شود. این پدها قابلیت انتقال حدود 200 کیلووات انرژی را دارند. یک اتوبوس مشابه با این تکنولوژی نیز در شهر Braunschweig از سال 2013 شروع به کار کرده است.
هلند
در شهر s’Hertogenbosch کشور هلند یک اتوبوس Volvo با ظرفیت 86 مسافر، از سال 2012، به صورت ویژه برای انتقال بی سیم توان تجهیز شده است. در این اتوبوس باطری‌های Lithium Iron Phosphate با استفاده از دو ماژول 60 کیلو وات (جمعاً 120 کیو وات)، شارژ می‌شوند.
هنگامی که اتوبوس به محل شارژ نزدیک می‌شود، به صورت اتوماتیک کویل‌های جذب کننده اتوبوس پایین آمده و شارژ را با بهره‌وری بالاتری انجام می‌دهند. یک اتوبوس دیگر نیز در شهر Utrecht در حال کار کردن است.
سوئیس
شرکت ABB در حال تست یک اتوبوس الکتریکی در ژنو است که از شهر، مسافران را به فرودگاه می‌رساند و از سیستم شارژی به نام TOSA استفاده می‌کند. این سیستم شارژ در برخی از ایستگاه‌های توقف با یک سیستم به توان 400 کیلو وات و در زمان 15 ثانیه اتوبوس را شارژ می‌کند.
سیستم شارژ به کمک یک ریل به بالای اتوبوس متصل می‌شود و عمل شارژ را انجام می‌دهد و شارژ کامل باطری‌ها در ایستگاه نهایی انجام می‌شود و بین 3 تا 4 دقیقه زمان می‌برد. این سرعت شارژ حتی برای باطری‌های لیتیومی هم بسیار چالش برانگیز است و باید مراقبت‌های لازم در مورد گرم شدن بیش از حد، شارژ شدن بیش از حد و احتمال آتش‌سوزی، انجام گیرد. سیستم شارژ قرار گرفته بر روی سقف اتوبوس دقیقاً انتقال بی سیم توان نیست، ولی چون سیم‌های دائمی بر روی مسیر اتوبوس وجود ندارد، به عنوان بی سیم شناخته می‌شود و علاوه بر این بازوی رباتیک بالای اتوبوس اتصال به منبع شارژ را به صورت القایی انجام می‌دهد.
انگلستان
در ژانویه 2014، ناوگانی متشکل از 8 اتوبوس در Milton Keynes (نزدیک لندن) شروع به کار کردند که از تکنولوژی شارژ بی سیم استفاده می‌کنند. این اتوبوس‌ها در یک برنامه زمانی مشخص (17 ساعت در روز، مسیر 25 کیلومتری و در کل 56 هزار مایل در سال) در حال کار هستند و در انتهای مسیر به صورت بی سیم شارژ می‌شوند.
هنگامی که اتوبوس در انتهای مسیر پارک کرده است، در مدت 10 دقیقه، دو سوم میزان انرژی مصرف شده در مسیر 25 کیلومتری را دریافت می‌کند. هدف از این دوره آزمایشی بررسی اتوبوس‌ها در شرایط واقعی می‌باشد و پس از یک دوره 5 ساله، کارایی، قابلیت اطمینان و هزینه‌های این سیستم بررسی شده و تصمیم نهایی در مورد آن‌ها گرفته خواهد شد. این سیستم مشابه سیستمی است که در شهرهای تورین ایتالیا، ژنو سوئیس، اتریخت و مانهیمن آلمان اجرا شده است.
همچنین در سال 2016، در بریستول انگلستان خط اتوبوس‌های دیزل – الکتریک دو طبقه با قابلیت شارژ بی سیم القایی شروع به کار کرد که به صورت خودکار به حالت دیزل-الکتریک و یا کاملاً برقی تغییر حالت می‌دهند و در نقاط با ریسک آلودگی بالاتر، از قبیل مرکز شهر، فقط از الکتریسیته استفاده می‌کنند. این پروژه توسط شهردار بریستول، به عنوان پایتخت سبز اروپا، افتتاح شد. این اتوبوس‌ها توسط شرکت Alexander Dennis تولید می‌شوند.
ژاپن
شرکت Hino Bus که بخشی از شرکت بزرگ‌تر تویوتا است، ناوگانی از اتوبوس‌های هیبرید الکتریک را توسعه داده و تست کرده است که دارای کویل‌های دریافت کننده بی سیم انرژی الکتریسیته هستند. این اتوبوس‌ها در یک مسیر تقریباً 4 کیلومتری در فرودگاه Haneda در توکیو و در سال 2008، کار کردند. اطلاعاتی از میزان توان انتقالی، فاصله هوایی کویل‌های شارژ و دریافت کننده انرژی، بازده توان و قابلیت اطمینان آن‌ها منتشر نشده است.
یک اتوبوس پیشرفته دیگر در کشور ژاپن، اتوبوس WEB-3 است که از طریق القایی و از سیستم شارژ بالای اتوبوس شارژ می‌شوند. این سیستم توسط دانشگاه Waseda توسعه پیدا کرده و در شهر Nagano مورد آزمایش قرار گرفته است.
اتوبوس‌های WEB-4 بر خلاف WEB-3، با تجهیزات شارژ القای کار گذاشته شده در جاده شارژ می‌شوند. این سیستم می‌تواند از فاصله تقریباً 3.5 سانتی‌متری و با بازده 92%، شارژ را انجام دهد. این اتوبوس در خیابان‌های Honjo و Kumagaya در حال کار کردن است.
اسپانیا
از سل 2017، اتوبوس‌های الکتریکی که به صورت بی سیم شارژ می‌شوند در حال استفاده در مسیر شماره 76 شهر مادرید هستند. این اتوبوس‌های جایگزین اتوبوس‌های هیبریدی شده‌اند که قبلاً در این مسیر فعالیت می‌کردند.
اتوبوس‌ها از ساعت 6 صبح تا 12 شب کار می‌کنند و برای آنکه بتوانند بدون مشکل در این زمان طولانی فعالیت کنند، به سیستم شارژ بی سیم القایی مجهز شده‌اند. هر کدام از اتوبوس‌های این مسیر، مسافت 54 هزار کیلومتر را در سال طی می‌کنند که اگر این مسیر توسط اتوبوس‌های دیزلی پیموده شود مقدار زیادی CO2 و NOx آزاد خواهد شد.
چین
شرکت چینی BYD، که یکی از شرکت‌های برتر خودروسازی چین است، بزرگ‌ترین شبکه شارژ بی سیم اتوبوس در جهان را با همکاری شرکت‌های آمریکایی Momentum Dynamics و Indygo، راه اندازی خواهد کرد.
سه القا کننده بزرگ با توان 300 کیلو وات نصب خواهند شد تا توان مورد نیاز 33 اتوبوس قدرتمند را برای کارکرد 24 ساعت شبانه روز و 7 روز هفته فراهم کنند. این اتوبوس‌ها که از سال 2021 شروع به کار خواهند کرد، با هر بار شارژ کامل در حدود 500 کیلومتر را طی می‌کنند. هر یک از سه ایستگاه شارژ، می‌توانند این اتوبوس‌ها را در زمان 10 تا 20 دقیقه به طور کامل شارژ کنند.
سوئد
سوئد در نظر دارد تا سال 2030 تمام خودروها را از سوخت فسیلی بی نیاز کند، به همین دلیل پروژه‌ای را در راستای استفاده از اتوبوس‌های برقی با شارژ بی سیم با همکاری شرکت Scania و دانشگاه Royal Institute of Technology شروع کرده است. این اتوبوس‌ها با تجهیزات کار گذاشته شده در کف اتوبوس و در ایستگاه آخر، در طول 6 تا 7 دقیقه شارژ می‌شوند.
Martha's Vineyard
سازمان حمل و نقل جزیره Martha’s Vineyard در نظر دارد تمام اتوبوس‌های دیزلی این جزیره را به نوع الکتریکی تبدیل کند. تعداد 10 اتوبوس خریداری شده توسط تجهیزات شرکت Momentum Dynamics به کویل‌های شارژ مجهز شده و در ایستگاه‌های خود توسط سیستم با توان 200 کیلو وات شارژ خواهند شد.
قطارهای برقی با شارژ بی سیم
استفاده از شارژ بی سیم در قطارها نیاز به سوخت‌های فسیلی یا وجود اتصال دائمی به خط جریان برق را که معمولاً در بالای قطار قرار می‌گیرد، از بین می‌برد، به دلیل عدم قرارگیری آزاد اتصال‌های با ولتاژ بالا، ایمنی انتقال بی سیم توان نیز بیشتر می‌باشد، عدم وجود اتصالات و سیم‌ها انتقال توان در بالای مسیر حرکت قطار، به زیبایی شهر آسیب نمی‌رساند و علاوه بر آن، با قرار دادن سیستم ذخیره توان در داخل قطار، مصرف انرژی تا 30% قابل کاهش می‌باشد.
با توسعه توان انتقالی برای سیستم‌های شارژ اتوبوس‌های برقی می‌توان طرح‌های مناسبی برای شارژ بی سیم قطار برقی نیز ارائه کرد. به طور مثال، انستیتو علوم و تکنولوژی پیشرفته کره، طرح شکل پایین را ارائه کرده است.
طرح KAIST توان 180 کیلو وات را با فرکانس 60 کیلوهرتز به قطار منتقل می‌کند. سیستم‌های شارژ قطار مشابه با اتوبوس‌ها عموماً در زیر مسیر حرکت قرار داده می‌شود و چون قطار بر روی ریل حرکت می‌کند، هم محوری کویل‌های فرستنده و گیرنده به آسانی انجام می‌گیرد.
در شکل پایین، طرح IPT Technology Gmbh به منظور انتقال 320 تا 4500 آمپر جریان برای قطارهای سبک و همچنین مونوریل‌ها نشان داده شده است. به منظور افزایش توان سیستم برای کارکرد در شرایط سخت و یافت نقاط ضعف و یا دارای ایراد، مجموعه‌های کنترلی و ایرادیابی نیز برای این سیستم در نظر گرفته شده است.
طرح Bombardier PRIMOVE IPT که برای بهینه‌سازی مصرف انرژی، بهره‌وری، هزینه‌ها، محیط زیست و همچنین حذف خطوط انتقال توان در بالای مسیر قطار، توسعه پیدا کرده است. سیستم انتقال توان بالای قطار با یک سیستم انتقال بی سیم انرژی الکتریسیته که در زیر مسیر قرار گرفته، جایگزین شده است.
سیستم انتقال توان مسیر حرکت، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که باعث القای جریان الکتریکی در کویل قرار گرفته بر روی قطار می‌شود. تجهیزات قرار گرفته بر روی قطار شامل یک سیستم کویل گیرنده در زیر قطار می‌شود که میدان مغناطیسی حاصل از کویل فرستنده را به جریان AC تبدیل می‌کند و پس از آن، این جریان به DC تبدیل می‌شود.
این مجموعه می‌تواند توان 100 تا 500 کیلووات را بسته به نیازهای قطار از قبیل طول، تعداد واگن‌ها، شرایط جغرافیایی و طول مسیر، تأمین کند. این مجموعه را می‌توان برای قطارهایی با طول 30 تا 42 متر، در شیب حداکثر 6 درصد و سرعت تا 50 مایل بر ساعت (80 کیلومتر بر ساعت) به کار برد.
این طرح برای اولین بار در سال 2009 معرفی شد و در یک مسیر به طول 800 متر در آلمان و به منظور آزمایش و بررسی، نصب شد. آزمون‌ها بر روی این حلقه با فرکانس 200 کیلوهرتز در سال 2012 تکمیل شد و چند طرح دیگر مشابه با این سیستم برای محیط‌های شهری آلمان، در آینده نزدیک اجرا خواهد شد.
بخش حمل و نقل شرکت Alstom نیز طرحی برای حمل و نقل شهری مبتنی بر انتقال بی سیم توان ارائه کرده است.
پیشنهاد مطالعه:
