Жизнь без проводов

17.03.14 09:49

Физические основы

В первую очередь надо сказать, что на сегодняшний день не существует какой-то единой общепризнанной технологии передачи электроэнергии без использования традиционных проводников. Наиболее простая из них становится понятной на примере передачи энергии между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Ток, идущий по одной обмотке, вызывает возникновение переменного магнитного поля, а оно в свою очередь — ток в другой обмотке, расположенной на минимальном расстоянии. Таким образом, мы имеем дело с электромагнитной индукцией.

Естественно, для решения таких задач, как обеспечение питанием летательного аппарата или передача энергии, выработанной космической электростанцией, на Землю нужны принципиально другие технологии. Ими стали микроволновое и лазерное излучение. Есть впечатляющие эксперименты по передаче энергии на большие расстояния, свидетельствующие о серьезных перспективах, однако пока сохраняется и ряд проблем, которые пытаются решить ученые, работающие в разных странах мира на аэрокосмическую и оборонную отрасли. Безусловно, тема заслуживает отдельного рассмотрения. Сегодня же мы обратимся к вещам более приземленным и поговорим о возможностях применения беспроводного электричества в повседневной жизни.

На самом деле беспроводной передачей электроэнергии мы пользуемся куда чаще, чем многим кажется. Достаточно вспомнить карты доступа, проездные в метро и ключи от домофона, работающие по принципу радиочастотной идентификации (RFID). Данная технология пережила революцию в 1990-е гг., когда появились пассивные метки, т.е. метки, способные получать питание дистанционно, попадая в зону излучателя, индуцирующего электромагнитный сигнал. В лабораторных условиях RFID-метки уже работают в радиусе более 20 м от излучателя, соответственно на такое же расстояние передается энергия. В основе передачи лежит все та же электромагнитная индукция, а большей дальности удается достичь за счет явления резонанса, возникающего благодаря тому, что приемник и передатчик энергии настроены на одну частоту.

 

Принцип технологии WiTricity (илл. WiTricity Corp.)

 

Но одно дело, когда речь идет о трансляции минимальной мощности, необходимой для работы крошечного чипа, и совсем другое — когда нужно питать более серьезного потребителя, к примеру, заряжать мобильный телефон, планшет или даже электромобиль. Не удивительно, что существующие на сегодняшний день зарядные устройства, работающие по принципу электромагнитной индукции, требуют плотного контакта с заряжаемым прибором. В противном случае передача энергии между катушками, одна из которых находится в зарядной станции, а вторая — в заряжаемом приборе, будет невозможна или создаст опасность для находящихся поблизости людей из-за большой мощности.

 

Индукция — смартфону

Сегодня легко обзавестись беспроводным зарядным устройством для смартфона, не выходя из дома. В интернет-магазине подобный гаджет можно приобрести за сравнительно небольшую сумму — от 1700 до 3000 руб. Как правило, в комплект поставки входит накладная панель на корпус смартфона или специальная наклейка, размещаемая непосредственно на его аккумуляторе, а также платформа, на которую устройство надо класть во время зарядки. Однако популярностью такое решение не пользуется, что не удивительно — удобства оно не добавляет. Избавляясь от необходимости вставлять кабель в разъем телефона, вы продолжаете втыкать в розетку провод зарядной платформы, а на рабочем столе появляется лишний «девайс».

 

Тестирование беспроводной зарядки для смартфона в европейских  McDonald’s (илл. vido.com.ua)

 

Возможно, по причине такого несовершенства технологии многие производители смартфонов пока откладывают выпуск официальных беспроводных зарядных устройств. Правда, о владельцах «самсунгов» и «айфонов» готовы позаботиться менее именитые азиатские компании, а также «народные умельцы», подробно объясняющие в Сети, как изготовить беспроводную зарядку для мобильного телефона своими руками.

Исключение составляет Nokia, предлагающая приобрести оригинальную индукционную зарядку и специальный сменный корпус для некоторых своих смартфонов. К слову, возможность беспроводной зарядки заложена и в последней модели Nokia, вышедшей в феврале 2014 г. Было бы интересно понять, является ли это просто «рекламным бантиком» или началом развития серьезной технологии будущего? К сожалению, от комментариев относительно планов в этой сфере в компании отказались.

Справедливости ради стоит сказать, что в автомобиле зарядное устройство для телефона, работающее по принципу электромагнитной индукции, все-таки добавляет комфорта и безопасности (кто пытался, будучи за рулем, попасть кабелем в разъем, согласится). Не случайно сегодня ряд автомобилей премиум-класса оснащают встроенным беспроводным зарядным устройством.

В остальных случаях по-настоящему интересной была бы технология, позволяющая смартфону начинать заряжаться, как только он оказывается в зоне действия устройства, передающего энергию. Такое решение не требовало бы от человека каких-либо действий, избавляло бы от лишних проводов, а значит, качественно меняло бы ситуацию по аналогии с тем, как в свое время изменило ее появление стандарта Wi-Fi для выхода в Интернет.

 

Беспроводное зарядное устройство для Nokia Lumia 920 (фото w7phone.ru)

 

Магнитный резонанс

Именно над такой технологией работает команда профессора Массачусетского технологического института (MIT) Марина Сольячича. Теоретические исследования ученые вели с 2005 г., а в 2007 г. удалось экспериментально продемонстрировать возможность зажечь лампочку 60 Вт, находящуюся на расстоянии более двух метров от источника питания. Передача энергии происходит посредством связи, возникающей на основе магнитного резонанса. Связь появляется, когда магнитные поля двух устройств совпадают по частоте и образуют единое поле, в котором устройства могут обмениваться энергией. Такая связь, в сравнении с передачей энергии с помощью электромагнитной индукции, по утверждению разработчиков, оказалась безопаснее и эффективнее.

Для коммерциализации разработок MIT была создана компания WiTricity Corp. Здесь предлагают использовать одноименную технологию в двух направлениях — для обеспечения энергией потребителей, стационарно работающих в зоне действия беспроводного источника питания, а также для зарядки аккумуляторов мобильных устройств, появляющихся в зоне действия время от времени. Круг устройств, которые можно питать за счет магнитной резонансной связи, достаточно широк — бытовая электроника, электромобили, промышленные роботы и механизмы, специальные датчики и индикаторы, расположенные в труднодоступных местах (к примеру, шахтах), медицинские имплантаты и многое другое.

Компания развивается, сообщает о сотрудничестве с такими гигантами, как Toyota и Audi, а в 2013 г. получила инвестиции в размере $25 млн от компании Intel, давно интересующейся беспроводным электричеством. Однако массовым применение технологии WiTricity пока не стало.

 

Зарядить электромобиль

WiTricity — далеко не единственная компания, развивающая технологию беспроводной зарядки для электромобилей. Очевидно, что тема перспективная, поэтому ей занимаются многие.

«В мире на сегодняшний день серийно реализуются несколько решений такого типа, причем самые старые из них предназначены для зарядки электробусов, — рассказывает Максим Осорин, генеральный директор ООО «Револьта». — Это итальянские электробусы ELFO, используемые вместе с системой беспроводной зарядки с 2001 г. в Турине. В сегменте легковых автомобилей первой, кто вышел на рынок (произошло это в 2013 г.), стала компания Plugless power, предлагающая решения по беспроводной зарядке, которыми могут быть дооборудованы Chevy Volt и Nissan Leaf. В сегменте общественных перевозок есть известный проект Bombardier Primove. И это далеко не полный список игроков».

 

Пока беспроводная зарядка далеко не полностью избавляет от проводов (фото lgblog.co.uk)

 

Пожалуй, стоит привести в качестве примера еще один свежий проект. В феврале 2014 г. в г. Милтон-Кинс (Великобритания) по маршруту городского транспорта пущено восемь электробусов. Заряжаются машины на двух конечных пунктах, где в дорожное покрытие вмонтировано беспроводное зарядное электрооборудование с индукционными пластинами. При остановке электробуса на зарядной станции бортовые индукционные контуры опускаются, образуя зазор 4 см до земли.

Реально ли реализовать что-то подобное в российских условиях? По мнению Максима Осорина, вопрос требует тщательного изучения. «Мы рассматривали возможность создания беспроводных зарядных станций и продолжаем пристально следить за ситуацией на мировом рынке», — говорит он.

 

Без розовых очков

Преимущества технологии беспроводной зарядки электротранспорта очевидны. К примеру, представим, что электромобиль с ее помощью начинает автоматически заряжаться, попадая в гараж. Это гарантирует, что владелец не придет утром к недвижимой машине из-за того, что с вечера забыл поставить ее на зарядку. О других достоинствах можно было бы еще долго говорить, но важнее понять, каковы ограничения применения технологии, что мешает ее распространению в мире и внедрению в нашей стране.

«К ограничениям стоит отнести вопросы совместимости беспроводных зарядных станций с различными транспортными средствами, — считает Максим Осорин. — Инфраструктура должна быть универсальной, а конструктив, например, у электробусов весьма различный, и не всегда возможно все из них оснастить приемным устройством (индукционной петлей) единого стандарта (размера).

Также следует отметить, что при больших мощностях мы говорим о достаточно крупногабаритном приемном устройстве, которое при всей простоте своей конструкции, тем не менее, должно быть размещено в низшей точке электротранспортного средства. Немаловажны и вопросы электромагнитной совместимости и безопасности.

В решениях, где используются опускающиеся на специальную поверхность механизмы, есть проблема эксплуатации зимой, когда на дороге снег или лед и нет возможности обеспечить плотное равномерное прилегание опускаемого механизма. Отдельного внимания заслуживают вопросы монтажа такого типа зарядных станций, связанные с согласованием, обеспечением того, чтобы при очередных дорожных работах по смене покрытия зарядное устройство элементарно не повредили».

 

Схема беспроводной зарядки электромобиля, предложенная Volvo (ист. themotorreport.com.au)

 

Над решением существующих проблем активно работает ряд компаний, и кое-где уже достигнуты положительные результаты. В частности, существуют готовые коммерческие продукты беспроводных зарядных станций мощностью несколько киловатт (как правило, 3 кВт), обеспечивающих высокий уровень безопасности, независимость от погоды, дальность работы до 20–30 см. Сейчас идет работа по созданию зарядных станций большой мощности (десятки кВт), обеспечивающих аналогичный уровень безопасности, что и маломощные, и имеющих при этом еще больший КПД.

По мнению Максима Осорина, обозначенные проблемы проще решить в отношении беспроводных зарядных станций для общественного транспорта. Единую инфраструктурную систему вполне реально создать в рамках одного города. Однако по стоимости и удобству использования ей все-таки придется конкурировать с имеющимися сегодня на рынке и перспективными системами ультра-быстрой автоматической подзарядки электробусов.

 

Delphi анонсировала технологию беспроводной зарядки на Международной выставке потребительской электроники в 2013 г. (источник delphi.com)

 

На пути к единому стандарту

Как мы видим, на сегодняшний день большинство «земных» технологий, связанных с беспроводной передачей электроэнергии, продолжает базироваться на принципе электромагнитной индукции с некоторыми вариациями. Однако, как это часто случается в совсем молодых отраслях, пока не сложилось единого общепризнанного стандарта. Каждая исследовательская группа надеется, что именно ее подход окажется наиболее удачным и жизнеспособным. Рынка по сути еще нет, но борьба за него уже идет полным ходом.

Тем не менее, для производителей аккумуляторов и устройств, где они применяются, для создателей зарядной инфраструктуры и для конечных потребителей такая неопределенность создает массу проблем. Очевидно, что некая идеальная цель — обеспечить человеку возможность без проводов заряжать электромобиль, смартфон или другое устройство в любой точке земного шара по единому стандарту. Соответственно, исследовательские группы и коммерческие компании, ведущие собственные разработки в области беспроводного электричества или готовые поддержать чужие, вынуждены искать точки соприкосновения.

Одно из таких объединений — Альянс беспроводной энергии (The Alliance for Wireless Power — A4WP). В Альянсе состоит более 80 компаний, среди которых уже упомянутая WiTricity Corp., а также хорошо известные Intel, Samsung, Panasonic, LG, HTC, Nec и др. Недавно A4WP договорилась о стратегическом сотрудничестве с другим крупным альянсом — The Power Matters Alliance (PMA). Цель совместной работы — выработка единого стандарта беспроводной зарядки для электроники всех типов и пользователей по всему миру.

К слову, PMA тоже уже достигла определенных успехов — их технология адаптирована для применения в таких компаниях, как AT&T, General Motors, Procter&Gamble и Starbucks. Список членов альянса не менее внушителен — Duracell, Sony, Toshiba... Причем многие производители электроники (к примеру, те же Samsung и LG) значатся в обоих альянсах, видимо по причине все той же неопределенности, на какую технологию делать ставку.

 

Оборудование для беспроводной зарядки смартфона Samsung по стандарту Qi (фото www.qiwireless.com)

 

Стоит упомянуть и Консорциум беспроводной энергии (The Wireless Power Consortium), известный как создатель стандарта Qi, также претендующий на создание глобального стандарта беспроводной зарядки. Сюда входит аж 199 компаний, в том числе и некоторые наши знакомые из двух выше упомянутых списков. Существуют и другие группы и организации, работающие, чтобы беспроводное завтра наступило как можно скорее, но для реализации мечты о едином стандарте им неминуемо придется объединяться либо уходить с рынка.

Впереди еще длинный путь. Предстоит повысить КПД беспроводной передачи энергии, обеспечить ее безопасность для человека, увеличить дальность и мощность передачи, ограничить несанкционированный доступ к электричеству, фактически «витающему в воздухе». Возможно, для решения этих задач понадобятся принципиально другие, пока неизвестные технологии. Очевидно одно: возможность передавать электроэнергию без проводов — одна из потребностей современного человека, и он будет искать возможность, как ее удовлетворить.

 

Екатерина Зубкова

На первой фото: система беспроводной зарядки The Plugless Power (фото hypermiler.co.uk)

Читайте также: