Transferencia de energía inalámbrica

Transmisión de energía eléctrica sin cables como enlace físico.

Plataforma de carga inductiva para un teléfono inteligente como ejemplo de transferencia inalámbrica de campo cercano. Cuando el teléfono se coloca en la almohadilla, una bobina en la almohadilla crea un campo magnético ^[1] que induce una corriente en otra bobina, en el teléfono, cargando su batería.

La transferencia inalámbrica de energía ( WPT ), transmisión inalámbrica de energía , transmisión inalámbrica de energía ( WET ) o transferencia de energía electromagnética es la transmisión de energía eléctrica sin cables como enlace físico. En un sistema de transmisión de energía inalámbrica, un dispositivo transmisor accionado eléctricamente genera un campo electromagnético variable en el tiempo que transmite energía a través del espacio a un dispositivo receptor; el dispositivo receptor extrae energía del campo y la suministra a una carga eléctrica . La tecnología de transmisión de energía inalámbrica puede eliminar el uso de cables y baterías, aumentando así la movilidad, comodidad y seguridad de un dispositivo electrónico para todos los usuarios. ^[2] La transferencia de energía inalámbrica es útil para alimentar dispositivos eléctricos donde la interconexión de cables es inconveniente, peligrosa o no es posible.

Las técnicas de energía inalámbrica se dividen principalmente en dos categorías: campo cercano y campo lejano . ^[3] En técnicas de campo cercano o no radiativas , la energía se transfiere a distancias cortas mediante campos magnéticos que utilizan acoplamiento inductivo entre bobinas de alambre , o mediante campos eléctricos que utilizan acoplamiento capacitivo entre electrodos metálicos . ^{[4] [5] [6] [7]} El acoplamiento inductivo es la tecnología inalámbrica más utilizada; sus aplicaciones incluyen la carga de dispositivos portátiles como teléfonos y cepillos de dientes eléctricos , etiquetas RFID , cocina por inducción y carga inalámbrica o transferencia continua de energía inalámbrica en dispositivos médicos implantables como marcapasos cardíacos artificiales o vehículos eléctricos .

En las técnicas radiativas o de campo lejano , también llamadas transmisión de energía , la energía se transfiere mediante haces de radiación electromagnética , como microondas ^[8] o rayos láser . Estas técnicas pueden transportar energía a distancias más largas pero deben estar dirigidas al receptor. Las aplicaciones propuestas para este tipo incluyen satélites de energía solar y aviones no tripulados con propulsión inalámbrica . ^{[9] [10] [11]}

Una cuestión importante asociada con todos los sistemas de energía inalámbricos es limitar la exposición de personas y otros seres vivos a campos electromagnéticos potencialmente dañinos . ^{[12] [13]}

Descripción general

Diagrama de bloques genérico de un sistema de energía inalámbrico.

La transferencia de energía inalámbrica es un término genérico para varias tecnologías diferentes para transmitir energía mediante campos electromagnéticos . ^{[14] [15] [16]} Las tecnologías, enumeradas en la siguiente tabla, difieren en la distancia a la que pueden transferir energía de manera eficiente, si el transmisor debe apuntar (dirigido) al receptor y en el tipo de energía electromagnética. utilizan: campos eléctricos variables en el tiempo , campos magnéticos , ondas de radio , microondas , ondas de luz infrarroja u visible . ^[17]

En general, un sistema de energía inalámbrico consta de un dispositivo "transmisor" conectado a una fuente de energía, como una línea eléctrica , que convierte la energía en un campo electromagnético variable en el tiempo, y uno o más dispositivos "receptores" que reciben la energía. y convertirla nuevamente en corriente eléctrica CC o CA que es utilizada por una carga eléctrica . ^{[14] [17]} En el transmisor, la potencia de entrada se convierte en un campo electromagnético oscilante mediante algún tipo de dispositivo de " antena ". La palabra "antena" se utiliza aquí de forma vaga; puede ser una bobina de alambre que genera un campo magnético , una placa de metal que genera un campo eléctrico , una antena que irradia ondas de radio o un láser que genera luz. Una antena similar o un dispositivo de acoplamiento en el receptor convierte los campos oscilantes en una corriente eléctrica. Un parámetro importante que determina el tipo de ondas es la frecuencia , que determina la longitud de onda.

La energía inalámbrica utiliza los mismos campos y ondas que los dispositivos de comunicación inalámbricos como la radio , ^{[18] [19]} otra tecnología familiar que involucra energía eléctrica transmitida sin cables mediante campos electromagnéticos, utilizada en teléfonos celulares , transmisiones de radio y televisión y WiFi . En la radiocomunicación el objetivo es la transmisión de información, por lo que la cantidad de potencia que llega al receptor no es tan importante, siempre y cuando sea suficiente para que la información pueda recibirse de forma inteligible. ^{[15] [18] [19]} En las tecnologías de comunicación inalámbrica, sólo pequeñas cantidades de energía llegan al receptor. Por el contrario, con la transferencia de energía inalámbrica lo importante es la cantidad de energía recibida, por lo que la eficiencia (fracción de la energía transmitida que se recibe) es el parámetro más significativo. ^[15] Por esta razón, es probable que las tecnologías de energía inalámbrica estén más limitadas por la distancia que las tecnologías de comunicación inalámbrica.

La transferencia de energía inalámbrica se puede utilizar para encender transmisores o receptores de información inalámbricos. Este tipo de comunicación se conoce como comunicación inalámbrica alimentada (WPC).Cuando la energía recolectada se utiliza para suministrar energía a transmisores inalámbricos de información, la red se conoce como transferencia inalámbrica simultánea de energía e información (SWIPT); ^[20] mientras que cuando se utiliza para suministrar energía a receptores de información inalámbricos, se conoce como red de comunicación inalámbrica (WPCN). ^{[21] [22] [23]}

Estas son las diferentes tecnologías de energía inalámbrica: ^{[14] [17] [24] [25]}

Regiones de campo

Los campos eléctricos y magnéticos son creados por partículas cargadas en la materia, como los electrones . Una carga estacionaria crea un campo electrostático en el espacio que la rodea. Una corriente constante de cargas ( corriente continua , CC) crea un campo magnético estático a su alrededor. Los campos anteriores contienen energía , pero no pueden transportar energía porque son estáticos. Sin embargo, los campos que varían en el tiempo pueden transportar energía. ^[29] Las cargas eléctricas aceleradas, como las que se encuentran en una corriente alterna (CA) de electrones en un cable, crean campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo en el espacio que los rodea. Estos campos pueden ejercer fuerzas oscilantes sobre los electrones en una "antena" receptora, haciendo que se muevan hacia adelante y hacia atrás. Estos representan corriente alterna que se puede utilizar para alimentar una carga.

Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes que rodean las cargas eléctricas en movimiento en un dispositivo de antena se pueden dividir en dos regiones, dependiendo de la distancia D _{del rango} desde la antena. ^{[14] [17] [18] [24] [30] [31] [32]} El límite entre las regiones está algo vagamente definido. ^[17] Los campos tienen diferentes características en estas regiones, y se utilizan diferentes tecnologías para transferir energía:

• Región de campo cercano o no radiativa : esto significa el área dentro de aproximadamente 1 longitud de onda ( λ ) de la antena. ^{[14] [30] [31]} En esta región, los campos eléctricos yestán separados ^[18] y la energía se puede transferir a través de campos eléctricos mediante acoplamiento capacitivo ( inducción electrostática ) entre electrodos metálicos, ^{[4] [5] [6 ] [7]} o mediante campos magnéticos mediante acoplamiento inductivo ( inducción electromagnética ) entre bobinas de alambre. ^{[15] [17] [18] [24]} Estos campos no son radiativos , ^[31] lo que significa que la energía permanece a corta distancia del transmisor. ^[33] Si no hay ningún dispositivo receptor o material absorbente dentro de su rango limitado al que "acoplarse", no sale energía del transmisor. ^[33] El alcance de estos campos es corto y depende del tamaño y la forma de los dispositivos de "antena", que suelen ser bobinas de alambre. Los campos, y por tanto la potencia transmitida, disminuyen exponencialmente con la distancia, ^{[30] [32] [34]} por lo que si la distancia entre las dos "antenas" D _rango es mucho mayor que el diámetro de las "antenas" D _ant muy poco se recibirá energía. Por lo tanto, estas técnicas no se pueden utilizar para la transmisión de potencia de largo alcance.

La resonancia , como el acoplamiento inductivo resonante , puede aumentar en gran medida el acoplamiento entre las antenas, permitiendo una transmisión eficiente a distancias algo mayores, ^{[14] [18] [24] [30] [35] [36]} aunque los campos aún disminuyen exponencialmente. Por lo tanto, la gama de dispositivos de campo cercano se divide convencionalmente en dos categorías:

• Corto alcance : hasta aproximadamente un diámetro de antena: _rango D  ≤  D _ant . ^{[33] [35] [37]} Este es el rango sobre el cual el acoplamiento capacitivo o inductivo no resonante ordinario puede transferir cantidades prácticas de potencia.
• Rango medio : hasta 10 veces el diámetro de la antena: _rango D  ≤ 10 D _ant . ^{[35] [36] [37] [38]} Este es el rango sobre el cual el acoplamiento capacitivo o inductivo resonante puede transferir cantidades prácticas de potencia.

• Campo lejano o región radiativa : más allá de aproximadamente 1 longitud de onda ( λ ) de la antena, los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y se propagan como una onda electromagnética ; ejemplos son las ondas de radio , las microondas o las ondas de luz . ^{[14] [24] [30]} Esta parte de la energía es radiativa , ^[31] lo que significa que sale de la antena haya o no un receptor que la absorba. La porción de energía que no llega a la antena receptora se disipa y se pierde en el sistema. La cantidad de potencia emitida como ondas electromagnéticas por una antena depende de la relación entre el tamaño de la antena D _ant y la longitud de onda de las ondas λ , ^[39] que está determinada por la frecuencia: λ  =  c/f . A bajas frecuencias f donde la antena es mucho más pequeña que el tamaño de las ondas, D _ant  <<  λ , se irradia muy poca potencia. Por lo tanto, los dispositivos de campo cercano mencionados anteriormente, que utilizan frecuencias más bajas, irradian casi nada de su energía en forma de radiación electromagnética. Las antenas de aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda D _ant  ≈  λ , como las antenas monopolo o dipolo , irradian energía de manera eficiente, pero las ondas electromagnéticas se irradian en todas las direcciones ( omnidireccionalmente ), por lo que si la antena receptora está muy lejos, solo una pequeña cantidad de la radiación lo golpeará. ^{[31] [35]} Por lo tanto, estos pueden usarse para transmisión de potencia ineficiente de corto alcance, pero no para transmisión de largo alcance. ^[40]

Sin embargo, a diferencia de los campos, la radiación electromagnética puede enfocarse mediante reflexión o refracción en haces. Al utilizar una antena de alta ganancia o un sistema óptico que concentra la radiación en un haz estrecho dirigido al receptor, se puede utilizar para la transmisión de energía de largo alcance . ^{[35] [40]} Según el criterio de Rayleigh , para producir los haces estrechos necesarios para enfocar una cantidad significativa de energía en un receptor distante, una antena debe ser mucho más grande que la longitud de onda de las ondas utilizadas: D _ant  >>  λ  =  c/f . ^[41] Los dispositivos prácticos de potencia de haz requieren longitudes de onda en la región de los centímetros o menos, correspondientes a frecuencias superiores a 1 GHz, en el rango de las microondas o superiores. ^[14]

Técnicas de campo cercano (no radiativas)

A grandes distancias relativas, los componentes del campo cercano de los campos eléctricos y magnéticos son campos dipolares oscilantes aproximadamente cuasiestáticos . Estos campos disminuyen con el cubo de la distancia: ( D _rango / D _hormiga ) ^{−3 [32] [42]} Dado que la potencia es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo, la potencia transferida disminuye como ( D _rango / D _hormiga ) ⁻⁶ . ^{[18] [34] [43] [44]} o 60 dB por década. En otras palabras, si están muy separadas, aumentar diez veces la distancia entre las dos antenas hace que la potencia recibida disminuya en un factor de 10 ⁶ = 1000000. Como resultado, el acoplamiento inductivo y capacitivo sólo se puede utilizar para la transferencia de potencia de corto alcance. dentro de unas pocas veces el diámetro del dispositivo de antena D _ant . A diferencia de un sistema radiativo donde la radiación máxima ocurre cuando las antenas dipolo están orientadas transversalmente a la dirección de propagación, con los campos dipolares el acoplamiento máximo ocurre cuando los dipolos están orientados longitudinalmente.

Acoplamiento inductivo

(izquierda) Transferencia de energía inductiva moderna, un cargador de cepillo de dientes eléctrico. Una bobina en el soporte produce un campo magnético, induciendo una corriente alterna en una bobina en el cepillo de dientes, que se rectifica para cargar las baterías.
(derecha) Una bombilla alimentada de forma inalámbrica por inducción, en 1910.

En el acoplamiento inductivo ( inducción electromagnética ^{[24] [45]} o transferencia de potencia inductiva , IPT), la potencia se transfiere entre bobinas de cable mediante un campo magnético . ^[18] Las bobinas del transmisor y del receptor forman juntas un transformador ^{[18] [24]} (ver diagrama) . Una corriente alterna (CA) a través de la bobina transmisora ​​(L1) crea un campo magnético oscilante (B) según la ley de Ampere . El campo magnético pasa a través de la bobina receptora (L2) , donde induce una FEM ( voltaje ) alterna según la ley de inducción de Faraday , que crea una corriente alterna en el receptor. ^{[15] [45]} La corriente alterna inducida puede impulsar la carga directamente o rectificarse a corriente continua (CC) mediante un rectificador en el receptor, que impulsa la carga. Algunos sistemas, como los soportes de carga para cepillos de dientes eléctricos, funcionan a 50/60 Hz, por lo que la corriente alterna se aplica directamente a la bobina transmisora, pero en la mayoría de los sistemas un oscilador electrónico genera una corriente alterna de mayor frecuencia que impulsa la bobina, debido a la eficiencia de la transmisión. mejora con la frecuencia . ^[45]

El acoplamiento inductivo es la tecnología de energía inalámbrica más antigua y más utilizada, y prácticamente la única hasta ahora que se utiliza en productos comerciales. Se utiliza en soportes de carga inductiva para aparatos inalámbricos utilizados en ambientes húmedos, como cepillos de dientes eléctricos ^[24] y afeitadoras, para reducir el riesgo de descarga eléctrica. ^[46] Otra área de aplicación es la recarga "transcutánea" de dispositivos protésicos biomédicos implantados en el cuerpo humano, como marcapasos cardíacos y bombas de insulina , para evitar que los cables atraviesen la piel. ^{[47] [48]} También se utiliza para cargar vehículos eléctricos como automóviles y para cargar o alimentar vehículos de tránsito como autobuses y trenes. ^[24]

Sin embargo, el uso de más rápido crecimiento son las plataformas de carga inalámbrica para recargar dispositivos inalámbricos móviles y portátiles, como computadoras portátiles y tabletas , mouse de computadora , teléfonos celulares , reproductores de medios digitales y controladores de videojuegos . ^{[ cita necesaria ]} En los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) proporcionó su primera certificación para un sistema de carga de transmisión inalámbrica en diciembre de 2017. ^[49]

La potencia transferida aumenta con la frecuencia ^[45] y la inductancia mutua entre las bobinas, ^[15] que depende de su geometría y de la distancia entre ellas. Una figura de mérito ampliamente utilizada es el coeficiente de acoplamiento . ^{[45] [50]} Este parámetro adimensional es igual a la fracción del flujo magnético a través de la bobina del transmisor que pasa a través de la bobina del receptor cuando L2 está en circuito abierto. Si las dos bobinas están en el mismo eje y muy juntas, todo el flujo magnético pasa a través de ellas y la eficiencia del enlace se acerca al 100%. Cuanto mayor es la separación entre las bobinas, más campo magnético de la primera bobina pasa por alto la segunda, y menor es la eficiencia del enlace, acercándose a cero en separaciones grandes. ^[45] La eficiencia del enlace y la potencia transferida son aproximadamente proporcionales a . ^[45] Para lograr una alta eficiencia, las bobinas deben estar muy juntas, una fracción del diámetro de la bobina , ^[45] generalmente dentro de centímetros, ^[40] con los ejes de las bobinas alineados. Generalmente se utilizan formas de bobina anchas y planas para aumentar el acoplamiento. ^{[45] Los núcleos} de ferrita con "confinamiento de flujo" pueden confinar los campos magnéticos, mejorando el acoplamiento y reduciendo la interferencia con los dispositivos electrónicos cercanos, ^{[45] [47]} pero son pesados ​​y voluminosos, por lo que los dispositivos inalámbricos pequeños a menudo utilizan bobinas con núcleo de aire. ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle D_{\text{range}}}$ ${\displaystyle k\;=\;M/{\sqrt {L_{1}L_{2}}}}$ ${\displaystyle L1}$ ${\displaystyle L2}$ ${\displaystyle L1}$ ${\displaystyle L2}$ ${\displaystyle k=1}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle k^{2}}$ ${\displaystyle D_{\text{ant}}}$

El acoplamiento inductivo ordinario sólo puede lograr una alta eficiencia cuando las bobinas están muy juntas, normalmente adyacentes. En la mayoría de los sistemas inductivos modernos se utiliza el acoplamiento inductivo resonante (descrito a continuación) , en el que la eficiencia aumenta mediante el uso de circuitos resonantes . ^{[31] [36] [45] [51]} Esto puede lograr altas eficiencias a distancias mayores que el acoplamiento inductivo no resonante.

Acoplamiento inductivo resonante

El acoplamiento inductivo resonante ( acoplamiento electrodinámico , ^[24] resonancia magnética fuertemente acoplada ^[35] ) es una forma de acoplamiento inductivo en el que la energía se transfiere mediante campos magnéticos (B, verde) entre dos circuitos resonantes (circuitos sintonizados), uno en el transmisor. y uno en el receptor (ver diagrama a la derecha) . ^{[18] [24] [31] [46] [51]} Cada circuito resonante consta de una bobina de cable conectada a un condensador , o una bobina autoresonante u otro resonador con capacitancia interna. Los dos están sintonizados para resonar a la misma frecuencia de resonancia . La resonancia entre las bobinas puede aumentar en gran medida el acoplamiento y la transferencia de potencia, de forma análoga a la forma en que un diapasón vibrante puede inducir una vibración simpática en un diapasón distante sintonizado en el mismo tono.

Diagrama de bloques genérico de un sistema de energía inalámbrico inductivo.

Nikola Tesla descubrió por primera vez el acoplamiento resonante durante sus experimentos pioneros en transferencia de energía inalámbrica a principios del siglo XX, ^{[52] [53] [54]} pero las posibilidades de utilizar el acoplamiento resonante para aumentar el rango de transmisión solo se han explorado recientemente. ^[55] En 2007, un equipo dirigido por Marin Soljačić en el MIT utilizó dos circuitos sintonizados acoplados, cada uno hecho de una bobina de alambre autorresonante de 25 cm a 10 MHz para lograr la transmisión de 60 W de potencia a una distancia de 2 metros (6,6 pies) (8 veces el diámetro de la bobina) con alrededor del 40% de eficiencia. ^{[24] [35] [46] [53] [56]}

El concepto detrás de los sistemas de acoplamiento inductivo resonante es que los resonadores de alto factor Q intercambian energía a un ritmo mucho mayor que el que pierden debido a la amortiguación interna . ^[35] Por lo tanto, al usar resonancia, se puede transferir la misma cantidad de energía a distancias mayores, utilizando campos magnéticos mucho más débiles en las regiones periféricas ("colas") de los campos cercanos. ^[35] El acoplamiento inductivo resonante puede lograr una alta eficiencia en rangos de 4 a 10 veces el diámetro de la bobina ( D _ant ). ^{[36] [37] [38]} Esto se llama transferencia de "rango medio", ^[37] en contraste con el "rango corto" de la transferencia inductiva no resonante, que puede lograr eficiencias similares sólo cuando las bobinas están adyacentes. Otra ventaja es que los circuitos resonantes interactúan entre sí mucho más fuertemente que con los objetos no resonantes, por lo que las pérdidas de potencia debidas a la absorción en objetos cercanos perdidos son insignificantes. ^{[31] [35]}

Un inconveniente de la teoría del acoplamiento resonante es que a distancias cercanas, cuando los dos circuitos resonantes están estrechamente acoplados, la frecuencia resonante del sistema ya no es constante sino que se "divide" en dos picos resonantes, ^{[57] [58] [59]} por lo que la La transferencia máxima de potencia ya no ocurre en la frecuencia de resonancia original y la frecuencia del oscilador debe sintonizarse al nuevo pico de resonancia. ^{[36] [60]}

Actualmente, la tecnología resonante se está incorporando ampliamente en los modernos sistemas de energía inalámbricos inductivos. ^[45] Una de las posibilidades previstas para esta tecnología es la cobertura de energía inalámbrica de área. Una bobina en la pared o el techo de una habitación podría alimentar luces y dispositivos móviles de forma inalámbrica en cualquier lugar de la habitación, con una eficiencia razonable. ^[46] Un beneficio ambiental y económico de alimentar de forma inalámbrica pequeños dispositivos como relojes, radios, reproductores de música y controles remotos es que podría reducir drásticamente los 6 mil millones de baterías desechadas cada año, una gran fuente de desechos tóxicos y contaminación de aguas subterráneas. ^[40]

Un estudio para el ejército sueco encontró que los sistemas de 85 kHz para la transferencia dinámica de energía inalámbrica para vehículos pueden causar interferencias electromagnéticas en un radio de hasta 300 kilómetros. ^[61]

Acoplamiento capacitivo

El acoplamiento capacitivo, también conocido como acoplamiento eléctrico, utiliza campos eléctricos para la transmisión de energía entre dos electrodos (un ánodo y un cátodo ) formando una capacitancia para la transferencia de energía. ^[62] En el acoplamiento capacitivo ( inducción electrostática ), el conjugado del acoplamiento inductivo , la energía se transmite mediante campos eléctricos ^{[4] [15] [5] [7]} entre electrodos ^[6] como placas metálicas. Los electrodos transmisor y receptor forman un condensador , siendo el espacio intermedio el dieléctrico . ^{[6] [15] [18] [24] [47] [63]} Se aplica un voltaje alterno generado por el transmisor a la placa transmisora, y el campo eléctrico oscilante induce un potencial alterno en la placa receptora mediante inducción electrostática , ^{[ 15] [63]} lo que hace que fluya una corriente alterna en el circuito de carga. La cantidad de potencia transferida aumenta con la frecuencia ^[63] , el cuadrado del voltaje y la capacitancia entre las placas, que es proporcional al área de la placa más pequeña y (para distancias cortas) inversamente proporcional a la separación. ^[15]

Sistemas de energía inalámbricos capacitivos

El acoplamiento capacitivo solo se ha utilizado prácticamente en unas pocas aplicaciones de baja potencia, porque los voltajes muy altos en los electrodos necesarios para transmitir una potencia significativa pueden ser peligrosos ^{[18] [24]} y pueden causar efectos secundarios desagradables, como la nociva producción de ozono . Además, a diferencia de los campos magnéticos, ^[35] los campos eléctricos interactúan fuertemente con la mayoría de los materiales, incluido el cuerpo humano, debido a la polarización dieléctrica . ^[47] Los materiales intermedios entre o cerca de los electrodos pueden absorber la energía, lo que en el caso de los seres humanos puede provocar una exposición excesiva al campo electromagnético. ^[18] Sin embargo, el acoplamiento capacitivo tiene algunas ventajas sobre el acoplamiento inductivo. El campo está en gran medida confinado entre las placas del condensador, lo que reduce la interferencia, que en el acoplamiento inductivo requiere núcleos de ferrita pesados ​​de "confinamiento de flujo". ^{[15] [47]} Además, los requisitos de alineación entre el transmisor y el receptor son menos críticos. ^{[15] [18] [63]} El acoplamiento capacitivo se ha aplicado recientemente para cargar dispositivos portátiles alimentados por batería ^[4], así como para cargar o transferir energía inalámbrica continua en implantes biomédicos, ^{[5] [6] [7]} y se está considerando como medio para transferir energía entre capas de sustrato en circuitos integrados. ^[64]

Se han utilizado dos tipos de circuito:

• Diseño transversal (bipolar): ^{[5] [7] [65] [66]} En este tipo de circuito, hay dos placas transmisoras y dos placas receptoras. Cada placa transmisora ​​está acoplada a una placa receptora. El oscilador del transmisor impulsa las placas del transmisor en fase opuesta (diferencia de fase de 180°) mediante un alto voltaje alterno, y la carga está conectada entre las dos placas del receptor. Los campos eléctricos alternos inducen potenciales alternos de fase opuesta en las placas receptoras, y esta acción de "empujar y tirar" hace que la corriente fluya hacia adelante y hacia atrás entre las placas a través de la carga. Una desventaja de esta configuración para la carga inalámbrica es que las dos placas del dispositivo receptor deben estar alineadas cara a cara con las placas del cargador para que el dispositivo funcione. ^[dieciséis]
• Diseño longitudinal (unipolar): ^{[15] [63] [66]} En este tipo de circuito, el transmisor y el receptor tienen solo un electrodo activo, y la tierra o un electrodo pasivo grande sirve como camino de retorno para la corriente. El oscilador transmisor está conectado entre un electrodo activo y uno pasivo. La carga también está conectada entre un electrodo activo y uno pasivo. El campo eléctrico producido por el transmisor induce un desplazamiento de carga alterno en el dipolo de carga mediante inducción electrostática . ^[67]

Acoplamiento capacitivo resonante

La resonancia también se puede utilizar con acoplamiento capacitivo para ampliar el rango. A principios del siglo XX, Nikola Tesla realizó los primeros experimentos con acoplamiento resonante inductivo y capacitivo.

Transferencia de energía inalámbrica electrodinámica

Un sistema de transferencia de energía inalámbrica electrodinámica (EWPT) utiliza un receptor con un imán permanente giratorio o resonante mecánicamente. ^{[68] [69]} Cuando se somete a un campo magnético variable en el tiempo, el movimiento mecánico del imán resonante se convierte en electricidad mediante uno o más esquemas de transducción electromecánica (por ejemplo, electromagnético/inducción , piezoeléctrico o capacitivo ). ^{[70] [71]} A diferencia de los sistemas de acoplamiento inductivo que normalmente utilizan campos magnéticos de alta frecuencia, EWPT utiliza campos magnéticos de baja frecuencia (<1 kHz), ^{[72] [73] [74]} que pasan de forma segura a través de medios conductores y tienen límites de exposición al campo humano más altos (~2 mTrms a 1 kHz), ^{[75] [76]} que se muestran prometedores para su uso potencial en la recarga inalámbrica de implantes biomédicos . Para dispositivos EWPT que tienen frecuencias de resonancia idénticas, la magnitud de la transferencia de potencia depende completamente del coeficiente de acoplamiento crítico, indicado por , entre los dispositivos transmisor y receptor. Para resonadores acoplados con las mismas frecuencias de resonancia, la transferencia de potencia inalámbrica entre el transmisor y el receptor se distribuye en tres regímenes: subacoplado, críticamente acoplado y sobreacoplado. A medida que el coeficiente de acoplamiento crítico aumenta desde un régimen subacoplado ( ) al régimen acoplado crítico, la curva de ganancia de voltaje óptima crece en magnitud (medida en el receptor) y alcanza su punto máximo cuando y luego entra en el régimen sobreacoplado donde y el pico se divide en dos. ^[77] Se ha demostrado que este coeficiente de acoplamiento crítico es una función de la distancia entre los dispositivos fuente y receptor. ^{[78] [79]} ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle k<k_{crit}}$ ${\displaystyle k=k_{crit}}$ ${\displaystyle k>k_{crit}}$

Acoplamiento magnetodinámico

En este método, la potencia se transmite entre dos armaduras giratorias , una en el transmisor y otra en el receptor, que giran sincrónicamente, acopladas entre sí por un campo magnético generado por imanes permanentes en las armaduras. ^[25] La armadura del transmisor es girada por o como el rotor de un motor eléctrico , y su campo magnético ejerce un par sobre la armadura del receptor, girándolo. El campo magnético actúa como un acoplamiento mecánico entre las armaduras. ^[25] La armadura del receptor produce energía para impulsar la carga, ya sea haciendo girar un generador eléctrico separado o usando la armadura del receptor como rotor en un generador.

Este dispositivo se ha propuesto como alternativa a la transferencia de energía inductiva para la carga sin contacto de vehículos eléctricos . ^[25] Una armadura giratoria incrustada en el piso de un garaje o en la acera haría girar una armadura receptora en la parte inferior del vehículo para cargar sus baterías. ^[25] Se afirma que esta técnica puede transferir energía a distancias de 10 a 15 cm (4 a 6 pulgadas) con una alta eficiencia, superior al 90%. ^{[25] [80]} Además, los campos magnéticos parásitos de baja frecuencia producidos por los imanes giratorios producen menos interferencia electromagnética a los dispositivos electrónicos cercanos que los campos magnéticos de alta frecuencia producidos por los sistemas de acoplamiento inductivo. Un prototipo de sistema de carga de vehículos eléctricos ha estado en funcionamiento en la Universidad de Columbia Británica desde 2012. Otros investigadores, sin embargo, afirman que las dos conversiones de energía (de eléctrica a mecánica y de nuevo a eléctrica) hacen que el sistema sea menos eficiente que los sistemas eléctricos como el acoplamiento inductivo. ^[25]

Transmisión de ondas Zenneck

Oruganti et al. demostraron un nuevo tipo de sistema que utiliza ondas de tipo Zenneck , donde demostraron que era posible excitar ondas de tipo Zenneck en interfaces planas metal-aire y transmitir energía a través de obstáculos metálicos. ^{[81] [82] [83]} Aquí la idea es excitar una oscilación de carga localizada en la interfaz metal-aire, los modos resultantes se propagan a lo largo de la interfaz metal-aire. ^[81]

Técnicas de campo lejano (radiativas)

Los métodos de campo lejano logran alcances más largos, a menudo de varios kilómetros, donde la distancia es mucho mayor que el diámetro de los dispositivos. Las antenas de alta directividad o la luz láser bien colimada producen un haz de energía que puede adaptarse a la forma del área receptora. La directividad máxima de las antenas está físicamente limitada por la difracción .

En general, la luz visible (de láseres) y las microondas (de antenas diseñadas específicamente) son las formas de radiación electromagnética más adecuadas para la transferencia de energía.

Las dimensiones de los componentes pueden venir dictadas por la distancia entre el transmisor y el receptor , la longitud de onda y el criterio de Rayleigh o límite de difracción , utilizado en el diseño estándar de antenas de radiofrecuencia , que también se aplica a los láseres. El límite de difracción de Airy también se utiliza con frecuencia para determinar un tamaño de punto aproximado a una distancia arbitraria de la apertura . La radiación electromagnética experimenta menos difracción en longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas); así, por ejemplo, un láser azul se difracta menos que uno rojo.

El límite de Rayleigh (también conocido como límite de difracción de Abbe ), aunque originalmente se aplicó a la resolución de la imagen, se puede ver a la inversa y dicta que la irradiancia (o intensidad ) de cualquier onda electromagnética (como un microondas o un rayo láser) será se reduce a medida que el haz diverge a lo largo de la distancia a una velocidad mínima inversamente proporcional al tamaño de apertura. Cuanto mayor sea la relación entre la apertura de una antena transmisora ​​o la apertura de salida del láser y la longitud de onda de la radiación, más se podrá concentrar la radiación en un haz compacto.

La emisión de energía por microondas puede ser más eficiente ^{[ se necesita aclaración ]} que los láseres y es menos propensa a la atenuación atmosférica causada por el polvo o aerosoles como la niebla.

Aquí, los niveles de potencia se calculan combinando los parámetros anteriores y sumando las ganancias y pérdidas debidas a las características de la antena y la transparencia y dispersión del medio a través del cual pasa la radiación. Ese proceso se conoce como cálculo del presupuesto de un enlace .

Microondas

Representación artística de un satélite solar que podría enviar energía mediante microondas a una nave espacial o a una superficie planetaria.

La transmisión de energía a través de ondas de radio puede hacerse más direccional, permitiendo transmitir energía a mayor distancia, con longitudes de onda más cortas de radiación electromagnética, generalmente en el rango de las microondas . ^[84] Se puede utilizar una reccena para convertir la energía de microondas nuevamente en electricidad. Se han logrado eficiencias de conversión de rectenna superiores al 95%. ^{[ cita necesaria ]} Se ha propuesto la transmisión de energía utilizando microondas para la transmisión de energía desde satélites de energía solar en órbita a la Tierra y se ha considerado la transmisión de energía a las naves espaciales que abandonan la órbita. ^{[85] [86]}

La transmisión de energía mediante microondas tiene la dificultad de que, para la mayoría de las aplicaciones espaciales, los tamaños de apertura requeridos son muy grandes debido a la difracción que limita la direccionalidad de la antena. Por ejemplo, el estudio de la NASA de 1978 sobre satélites de energía solar requería una antena transmisora ​​de 1 kilómetro de diámetro (0,62 millas) y una rectenna receptora de 10 kilómetros de diámetro (6,2 millas) para un haz de microondas a 2,45 GHz . ^[87] Estos tamaños pueden reducirse un poco utilizando longitudes de onda más cortas, aunque las longitudes de onda cortas pueden tener dificultades con la absorción atmosférica y el bloqueo del haz por la lluvia o las gotas de agua. Debido a la " maldición de la matriz adelgazada ", no es posible crear un haz más estrecho combinando los haces de varios satélites más pequeños.

Para aplicaciones terrestres, un conjunto receptor de área grande de 10 km de diámetro permite utilizar grandes niveles de potencia total mientras se opera a la baja densidad de potencia sugerida para la seguridad de la exposición electromagnética humana. Una densidad de potencia segura para el ser humano de 1 mW/cm ² distribuida en un área de 10 km de diámetro corresponde a un nivel de potencia total de 750 megavatios. Este es el nivel de potencia que se encuentra en muchas centrales eléctricas modernas. A modo de comparación, una granja solar fotovoltaica de tamaño similar podría superar fácilmente los 10.000 megavatios (redondeados) en las mejores condiciones durante el día.

Después de la Segunda Guerra Mundial, en la que se desarrollaron emisores de microondas de alta potencia conocidos como magnetrones de cavidad , se investigó la idea de utilizar microondas para transferir energía. En 1964, se había demostrado un helicóptero en miniatura propulsado por microondas. ^[88]

El investigador japonés Hidetsugu Yagi también investigó la transmisión inalámbrica de energía utilizando una antena direccional que él mismo diseñó. En febrero de 1926, Yagi y su colega Shintaro Uda publicaron su primer artículo sobre el conjunto direccional sintonizado de alta ganancia ahora conocido como antena Yagi . Si bien no resultó ser particularmente útil para la transmisión de energía, esta antena de haz ha sido ampliamente adoptada en las industrias de radiodifusión y telecomunicaciones inalámbricas debido a sus excelentes características de rendimiento. ^[89]

La transmisión inalámbrica de alta potencia mediante microondas está bien probada. Se realizaron experimentos de decenas de kilovatios en el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo Goldstone en California en 1975 ^{[90] [91] [92]} y más recientemente (1997) en Grand Bassin en la Isla de la Reunión . ^[93] Estos métodos alcanzan distancias del orden de un kilómetro.

En condiciones experimentales, se midió que la eficiencia de conversión de microondas era de alrededor del 54% en un metro. ^[94]

Se ha sugerido un cambio a 24 GHz, ya que se han fabricado emisores de microondas similares a los LED con eficiencias cuánticas muy altas utilizando resistencia negativa , es decir, diodos Gunn o IMPATT, y esto sería viable para enlaces de corto alcance.

En 2013, el inventor Hatem Zeine demostró cómo la transmisión de energía inalámbrica utilizando antenas en fase puede entregar energía eléctrica hasta 30 pies. Utiliza las mismas frecuencias de radio que WiFi. ^{[95] [96]}

En 2015, investigadores de la Universidad de Washington introdujeron la energía a través de Wi-Fi, que carga baterías de forma lenta y alimenta cámaras y sensores de temperatura sin batería utilizando transmisiones desde enrutadores Wi-Fi. ^{[97] [98]} Se demostró que las señales de Wi-Fi alimentan sensores de cámara y temperatura sin batería en rangos de hasta 20 pies. También se demostró que se puede utilizar Wi-Fi para cargar de forma inalámbrica baterías de tipo botón de níquel-hidruro metálico y de iones de litio a distancias de hasta 28 pies.

En 2017, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) certificó el primer transmisor de energía inalámbrica de radiofrecuencia (RF) de campo medio. ^[99] En 2021, la FCC otorgó una licencia a un sistema de carga inalámbrica por aire (OTA) que combina métodos de campo cercano y de campo lejano mediante el uso de una frecuencia de aproximadamente 900 MHz. Debido a la potencia radiada de aproximadamente 1 W, este sistema está diseñado para pequeños dispositivos IoT como diversos sensores, rastreadores, detectores y monitores. ^[100]

Láseres

Un rayo láser centrado en un panel de células fotovoltaicas proporciona suficiente energía a un modelo de avión liviano para que vuele.

En el caso de la radiación electromagnética más cercana a la región visible del espectro (0,2 a 2 micrómetros ), la energía se puede transmitir convirtiendo la electricidad en un rayo láser que se recibe y concentra en células fotovoltaicas (células solares). ^{[101] [102]} Este mecanismo se conoce generalmente como "transmisión de energía" porque la energía se transmite a un receptor que puede convertirla en energía eléctrica. En el receptor se aplican convertidores de potencia láser fotovoltaicos especiales optimizados para la conversión de luz monocromática. ^[103]

Las ventajas en comparación con otros métodos inalámbricos son: ^[104]

• La propagación del frente de onda monocromático colimado permite un área de sección transversal del haz estrecha para la transmisión a grandes distancias. Como resultado, hay poca o ninguna reducción de potencia al aumentar la distancia entre el transmisor y el receptor.
• Tamaño compacto: los láseres de estado sólido caben en productos pequeños.
• No hay interferencias de radiofrecuencia en las comunicaciones por radio existentes, como Wi-Fi y teléfonos móviles.
• Control de acceso: sólo reciben energía los receptores impactados por el láser.

Los inconvenientes incluyen:

• La radiación láser es peligrosa. Sin un mecanismo de seguridad adecuado, los bajos niveles de potencia pueden cegar a los humanos y a otros animales. Los altos niveles de potencia pueden causar la muerte debido al calentamiento localizado de puntos.
• La conversión entre electricidad y luz es limitada. Las células fotovoltaicas alcanzan un máximo de eficiencia del 40% al 50%. ^[105]
• La absorción atmosférica, y la absorción y dispersión por nubes, niebla, lluvia, etc., provoca pérdidas de hasta el 100%.
• Requiere una línea de visión directa con el objetivo. (En lugar de irradiarse directamente al receptor, la luz láser también puede guiarse a través de una fibra óptica. Entonces se habla de tecnología Power-over-Fiber .)

La tecnología láser de 'rayos de energía' se exploró en aplicaciones de armas militares ^{[106] [107] [108]} y aeroespaciales ^{[109] [110]} . Además, se aplica para la alimentación de diversos tipos de sensores en entornos industriales. Últimamente se ha desarrollado para alimentar productos electrónicos comerciales y de consumo . Los sistemas inalámbricos de transferencia de energía que utilizan láseres para espacios de consumo deben cumplir con los requisitos de seguridad láser estandarizados según IEC 60825. ^{[ cita necesaria ]}

En 2018 se demostró el primer sistema de energía inalámbrico que utiliza láseres para aplicaciones de consumo, capaz de suministrar energía a dispositivos estacionarios y móviles en una habitación. Este sistema de alimentación inalámbrico cumple con las normas de seguridad según la norma IEC 60825. También está aprobado por la Administración de Medicamentos y Alimentos de EE. UU. (FDA). ^[111]

Otros detalles incluyen la propagación , ^[112] y el problema de coherencia y limitación de rango . ^[113]

Geoffrey Landis ^{[114] [115] [116]} es uno de los pioneros de los satélites de energía solar ^[117] y de la transferencia de energía basada en láser, especialmente para misiones espaciales y lunares. La demanda de misiones espaciales seguras y frecuentes ha dado lugar a propuestas para un ascensor espacial propulsado por láser . ^{[118] [119]}

El Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA ha demostrado un modelo de avión ligero no tripulado propulsado por un rayo láser. ^[120] Esta prueba de concepto demuestra la viabilidad de la recarga periódica utilizando un sistema de rayo láser.

Científicos de la Academia de Ciencias de China han desarrollado una prueba de concepto que utiliza un láser de doble longitud de onda para cargar de forma inalámbrica dispositivos portátiles o vehículos aéreos no tripulados. ^[121]

Acoplamiento de canales de plasma atmosférico.

En el acoplamiento de canales de plasma atmosférico, la energía se transfiere entre dos electrodos mediante conducción eléctrica a través de aire ionizado. ^[122] Cuando existe un gradiente de campo eléctrico entre los dos electrodos, que excede los 34 kilovoltios por centímetro a la presión atmosférica al nivel del mar, se produce un arco eléctrico. ^[123] Esta ruptura dieléctrica atmosférica da como resultado el flujo de corriente eléctrica a lo largo de una trayectoria aleatoria a través de un canal de plasma ionizado entre los dos electrodos. Un ejemplo de esto son los rayos naturales, donde un electrodo es un punto virtual en una nube y el otro es un punto en la Tierra. Actualmente se están llevando a cabo investigaciones sobre el canal de plasma inducido por láser (LIPC, por sus siglas en inglés) utilizando láseres ultrarrápidos para promover artificialmente el desarrollo del canal de plasma a través del aire, dirigiendo el arco eléctrico y guiando la corriente a través de un camino específico de manera controlable. ^[124] La energía del láser reduce el voltaje de ruptura dieléctrica atmosférica y el aire se vuelve menos aislante por sobrecalentamiento, lo que reduce la densidad ( ) del filamento de aire. ^[125] ${\displaystyle p}$

Este nuevo proceso se está explorando para su uso como pararrayos láser y como medio para disparar rayos desde las nubes para estudios de canales de rayos naturales, ^[126] para estudios de propagación atmosférica artificial, como sustituto de las antenas de radio convencionales, ^[127] para aplicaciones asociadas con soldadura y mecanizado eléctrico, ^{[128] [129]} para desviar energía de descargas de condensadores de alto voltaje, para aplicaciones de armas de energía dirigida que emplean conducción eléctrica a través de una ruta de retorno a tierra, ^{[130] [131] [132] [133 ]} y interferencias electrónicas . ^[134]

Recolección de energía

En el contexto de la energía inalámbrica, la recolección de energía , también llamada recolección de energía o recolección de energía , es la conversión de energía ambiental del medio ambiente en energía eléctrica, principalmente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos inalámbricos autónomos. ^[135] La energía ambiental puede provenir de campos eléctricos o magnéticos perdidos u ondas de radio de equipos eléctricos cercanos, luz, energía térmica (calor) o energía cinética como la vibración o el movimiento del dispositivo. ^[135] Aunque la eficiencia de la conversión suele ser baja y la energía obtenida suele ser minúscula (milivatios o microvatios), ^[135] puede ser adecuada para hacer funcionar o recargar pequeños dispositivos inalámbricos de micropotencia, como sensores remotos , que están proliferando en muchos campos. ^[135] Esta nueva tecnología se está desarrollando para eliminar la necesidad de reemplazar la batería o cargar dichos dispositivos inalámbricos, permitiéndoles funcionar de forma completamente autónoma. ^{[136] [137]}

Historia

Desarrollos del siglo XIX y callejones sin salida

El siglo XIX vio muchos desarrollos de teorías y contrateorías sobre cómo podría transmitirse la energía eléctrica. En 1826, André-Marie Ampère descubrió una conexión entre la corriente y los imanes. Michael Faraday describió en 1831 con su ley de inducción la fuerza electromotriz que impulsa una corriente en un bucle conductor mediante un flujo magnético variable en el tiempo. Muchos inventores y experimentadores observaron la transmisión de energía eléctrica sin cables, ^{[138] [139] [140]} pero la falta de una teoría coherente atribuyó estos fenómenos vagamente a la inducción electromagnética . ^[141] Una explicación concisa de estos fenómenos vendría de las ecuaciones de Maxwell de la década de 1860 ^[51] de James Clerk Maxwell , estableciendo una teoría que unificaba la electricidad y el magnetismo al electromagnetismo , prediciendo la existencia de ondas electromagnéticas como el portador "inalámbrico" de energía electromagnética. . Alrededor de 1884, John Henry Poynting definió el vector de Poynting y dio el teorema de Poynting , que describe el flujo de energía a través de un área dentro de la radiación electromagnética y permite un análisis correcto de los sistemas inalámbricos de transferencia de energía. ^{[51] [142]} A esto le siguió la validación de la teoría por parte de Heinrich Rudolf Hertz en 1888, que incluía la evidencia de las ondas de radio . ^[142]

Durante el mismo período , William Henry Ward (1871) y Mahlon Loomis (1872) propusieron dos esquemas de señalización inalámbrica que se basaban en la creencia errónea de que había un estrato atmosférico electrificado accesible a baja altitud. ^{[143] [144]} Las patentes de ambos inventores señalaron que esta capa conectada con una ruta de retorno utilizando "corrientes terrestres" permitiría la telegrafía inalámbrica así como el suministro de energía para el telégrafo, eliminando las baterías artificiales, y también podría usarse para iluminación, calor y fuerza motriz. ^{[145] [146]} Una demostración más práctica de la transmisión inalámbrica por conducción se produjo en el teléfono magnetoeléctrico de 1879 de Amos Dolbear que utilizaba conducción terrestre para transmitir a una distancia de un cuarto de milla. ^[147]

Nikola Tesla

Tesla demostrando la transmisión inalámbrica mediante "inducción electrostática" durante una conferencia de 1891 en el Columbia College . Las dos láminas de metal están conectadas a un oscilador de bobina de Tesla , que aplica corriente alterna de radiofrecuencia de alto voltaje . Un campo eléctrico oscilante entre las láminas ioniza el gas de baja presión de los dos largos tubos Geissler que tiene en las manos, haciendo que brillen de forma similar a los tubos de neón .

Después de 1890, el inventor Nikola Tesla experimentó con la transmisión de potencia mediante acoplamiento inductivo y capacitivo utilizando transformadores resonantes de radiofrecuencia excitados por chispas , ahora llamados bobinas de Tesla , que generaban altos voltajes de CA. ^{[51] [53] [148]} Al principio intentó desarrollar un sistema de iluminación inalámbrico basado en un acoplamiento inductivo y capacitivo de campo cercano ^[53] y realizó una serie de demostraciones públicas en las que encendió tubos Geissler e incluso bombillas incandescentes de todo el mundo. una etapa. ^{[53] [148] [149]} Descubrió que podía aumentar la distancia a la que podía encender una lámpara utilizando un circuito LC receptor sintonizado para resonar con el circuito LC del transmisor. ^[52] utilizando acoplamiento inductivo resonante . ^{[53] [54]} Tesla no logró convertir sus hallazgos en un producto comercial ^[150] pero su método de acoplamiento inductivo resonante ahora se usa ampliamente en electrónica y actualmente se aplica a sistemas de energía inalámbricos de corto alcance. ^{[53] [151]}

(izquierda) Experimento de transferencia inductiva resonante realizado por Tesla en Colorado Springs 1899. La bobina está en resonancia con el transmisor de aumento de Tesla cercano, alimentando la bombilla en la parte inferior. (derecha) La fallida central eléctrica Wardenclyffe de Tesla.

Tesla desarrolló un sistema de distribución de energía inalámbrico que esperaba fuera capaz de transmitir energía a larga distancia directamente a hogares y fábricas. Al principio pareció tomar prestadas las ideas de Mahlon Loomis, ^{[152] [153]} proponiendo un sistema compuesto de globos para suspender electrodos transmisores y receptores en el aire por encima de 30.000 pies (9.100 m) de altitud, donde pensaba que la presión disminuiría. le permiten enviar altos voltajes (millones de voltios) a largas distancias. Para estudiar más a fondo la naturaleza conductiva del aire a baja presión, instaló una instalación de prueba a gran altitud en Colorado Springs durante 1899. ^{[154] [155] [156]} Allí realizó experimentos con una gran bobina que operaba en el rango de megavoltios, así como Las observaciones que hizo del ruido electrónico de los rayos le llevaron a concluir incorrectamente ^{[157] [147]} que podía utilizar todo el globo terrestre para conducir energía eléctrica. La teoría incluía impulsar pulsos de corriente alterna hacia la Tierra a su frecuencia de resonancia desde una bobina de Tesla conectada a tierra que trabajaba contra una capacitancia elevada para hacer oscilar el potencial de la Tierra. Tesla pensó que esto permitiría recibir corriente alterna con una antena capacitiva similar sintonizada para resonar con ella en cualquier punto de la Tierra con muy poca pérdida de energía. ^{[158] [159] [160]} Sus observaciones también lo llevaron a creer que un alto voltaje usado en una bobina a una altura de unos cientos de pies "rompería el estrato de aire", eliminando la necesidad de kilómetros de cable colgados de globos. para crear su circuito de retorno atmosférico. ^{[161] [162]} Tesla propondría al año siguiente un " sistema inalámbrico mundial " que transmitiría información y energía a todo el mundo. ^{[163] [164]} En 1901, en Shoreham, Nueva York, intentó construir una gran central eléctrica inalámbrica de alto voltaje, ahora llamada Torre Wardenclyffe , pero en 1904 la inversión se agotó y la instalación nunca se completó.

Tecnologías de campo cercano y no radiativas.

La transferencia de energía inductiva entre bobinas de alambre cercanas fue la primera tecnología de energía inalámbrica que se desarrolló, y existe desde que se desarrolló el transformador en el siglo XIX. El calentamiento por inducción se ha utilizado desde principios del siglo XX y se utiliza para la cocción por inducción . ^[165]

Con la llegada de los dispositivos inalámbricos , se han desarrollado soportes de carga por inducción para aparatos utilizados en ambientes húmedos, como cepillos de dientes eléctricos y afeitadoras eléctricas , para eliminar el peligro de descarga eléctrica. Una de las primeras aplicaciones propuestas para la transferencia inductiva fue la de alimentar locomotoras eléctricas. En 1892, Maurice Hutin y Maurice Leblanc patentaron un método inalámbrico para alimentar trenes ferroviarios utilizando bobinas resonantes acopladas inductivamente a un cable de vía a 3 kHz. ^[166]

A principios de la década de 1960, la transferencia de energía inalámbrica inductiva resonante se utilizó con éxito en dispositivos médicos implantables ^[167], incluidos dispositivos como marcapasos y corazones artificiales. Mientras que los primeros sistemas utilizaban una bobina receptora resonante, los sistemas posteriores ^[168] implementaron también bobinas transmisoras resonantes. Estos dispositivos médicos están diseñados para una alta eficiencia utilizando componentes electrónicos de baja potencia y al mismo tiempo se adaptan de manera eficiente a cierta desalineación y torsión dinámica de las bobinas. La separación entre las bobinas en aplicaciones implantables suele ser inferior a 20 cm. Hoy en día, la transferencia de energía inductiva resonante se utiliza regularmente para proporcionar energía eléctrica en muchos dispositivos médicos implantables disponibles comercialmente. ^[169]

Las primeras tecnologías pasivas RFID (identificación por radiofrecuencia) fueron inventadas por Mario Cardullo ^[170] (1973) y Koelle et al. ^[171] (1975) y en la década de 1990 se utilizaban en tarjetas de proximidad y tarjetas inteligentes sin contacto .

La proliferación de dispositivos de comunicación inalámbricos portátiles, como teléfonos móviles , tabletas y computadoras portátiles, en las últimas décadas está impulsando actualmente el desarrollo de tecnología de carga y alimentación inalámbrica de rango medio para eliminar la necesidad de que estos dispositivos estén conectados a enchufes de pared durante la carga. ^[172] El Wireless Power Consortium se creó en 2008 para desarrollar normas interoperables entre fabricantes. ^[172] Su estándar de potencia inductiva Qi , publicado en agosto de 2009, permite cargar y alimentar con alta eficiencia dispositivos portátiles de hasta 5 vatios en distancias de 4 cm (1,6 pulgadas). ^[173] El dispositivo inalámbrico se coloca sobre una placa de carga plana (que se puede incrustar en las mesas de las cafeterías, por ejemplo) y la energía se transfiere desde una bobina plana en el cargador a una similar en el dispositivo. En 2007, un equipo dirigido por Marin Soljačić en el MIT utilizó un transmisor de resonancia dual con un secundario de 25 cm de diámetro sintonizado a 10 MHz para transferir 60 W de potencia a un receptor de resonancia dual similar a una distancia de 2 metros (6,6 pies) (ocho veces el diámetro de la bobina del transmisor) con alrededor del 40% de eficiencia. ^{[53] [56]}

En 2008, el equipo de Greg Leyh y Mike Kennan de Nevada Lightning Lab utilizó un transmisor de resonancia dual conectado a tierra con un secundario de 57 cm de diámetro sintonizado a 60 kHz y un receptor de resonancia dual conectado a tierra similar para transferir energía a través de campos eléctricos acoplados con un circuito de retorno de corriente a tierra. en una distancia de 12 metros (39 pies). ^[174] En 2011, el Dr. Christopher A. Tucker y el profesor Kevin Warwick de la Universidad de Reading , recrearon la patente 0.645.576 de Tesla de 1900 en miniatura y demostraron la transmisión de potencia a más de 4 metros (13 pies) con un diámetro de bobina de 10 centímetros (3,9 pulgadas). ) a una frecuencia resonante de 27,50 MHz, con una eficiencia efectiva del 60%. ^[175]

Microondas y láseres

Antes de la Segunda Guerra Mundial, se lograron pocos avances en la transmisión de energía inalámbrica. ^[92] La radio se desarrolló para usos de comunicación, pero no se podía utilizar para la transmisión de energía ya que las ondas de radio de frecuencia relativamente baja se extendían en todas direcciones y poca energía llegaba al receptor. ^{[51] [92]} En las comunicaciones por radio, en el receptor, un amplificador intensifica una señal débil utilizando energía de otra fuente. Para la transmisión de energía, una transmisión eficiente requería transmisores que pudieran generar microondas de mayor frecuencia , que pudieran enfocarse en haces estrechos hacia un receptor. ^{[51] [92] [176]}

El desarrollo de la tecnología de microondas durante la Segunda Guerra Mundial, como los tubos de klistrón y magnetrón y las antenas parabólicas , ^[92] hizo que los métodos radiativos ( campo lejano ) fueran prácticos por primera vez, y la primera transmisión inalámbrica de energía a larga distancia se logró en la década de 1960 por William C. Brown . ^[51] En 1964, Brown inventó la rectenna que podía convertir eficientemente las microondas en energía CC, y en 1964 lo demostró con el primer avión propulsado de forma inalámbrica, un modelo de helicóptero propulsado por microondas transmitidas desde el suelo. ^[92] Una motivación importante para la investigación de microondas en las décadas de 1970 y 1980 fue desarrollar un satélite de energía solar . ^{[51] [92]} Concebido en 1968 por Peter Glaser , este sistema recolectaría energía de la luz solar usando células solares y la transmitiría a la Tierra en forma de microondas a enormes recenas, que la convertirían en energía eléctrica en la red eléctrica . ^[177] En experimentos históricos de 1975 como director técnico de un programa JPL/Raytheon, Brown demostró la transmisión de largo alcance transmitiendo 475 W de potencia de microondas a una rectina a una milla de distancia, con una eficiencia de conversión de microondas a CC del 54%. ^[178] En el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, él y Robert Dickinson transmitieron una potencia de salida de CC de 30 kW a lo largo de 1,5 km con microondas de 2,38 GHz desde un plato de 26 m a un conjunto de reccena de 7,3 x 3,5 m. La eficiencia de conversión de RF incidente a CC de la reccena fue del 80%. ^[179] En 1983, Japón lanzó el Experimento de interacción no lineal de la ionosfera de microondas (MINIX), un experimento con cohetes para probar la transmisión de microondas de alta potencia a través de la ionosfera. ^{[ cita necesaria ]}

En los últimos años, un foco de investigación ha sido el desarrollo de aviones teledirigidos con propulsión inalámbrica, que comenzó en 1959 con el proyecto RAMP (Raytheon Airborne Microwave Platform) del Departamento de Defensa ^[92] que patrocinó la investigación de Brown. En 1987, el Centro de Investigación de Comunicaciones de Canadá desarrolló un pequeño prototipo de avión llamado Plataforma de retransmisión estacionaria a gran altitud (SHARP) para transmitir datos de telecomunicaciones entre puntos de la Tierra de forma similar a un satélite de comunicaciones . Impulsado por una reccena, podría volar a 21 kilómetros (13 millas) de altitud y permanecer en el aire durante meses. En 1992, un equipo de la Universidad de Kyoto construyó una nave más avanzada llamada MILAX (Experimento de avión elevado por microondas).

En 2003, la NASA voló el primer avión propulsado por láser. El motor del pequeño modelo de avión estaba impulsado por electricidad generada por fotocélulas a partir de un haz de luz infrarroja de un láser terrestre, mientras que un sistema de control mantenía el láser apuntando al avión.

Ver también

• portal de energía
• Portal de física

• Propulsión impulsada por haces
• Beam Power Challenge : uno de los desafíos del centenario de la NASA
• Distribución de electricidad
• Transmisión de energía eléctrica
• Compatibilidad electromagnética
• Radiación electromagnética y salud.
• Recolección de energía
• Ecuación de transmisión de Friis
• Transmisión de potencia por microondas
• Qi (estándar)
• Energía solar basada en el espacio
• Acoplamiento inductivo resonante
• Maldición de matriz adelgazada
• uBeam – sistema de transferencia de energía acústica
• Torre Wardenclyffe
• Wi-Charge : energía inalámbrica infrarroja de campo lejano
• Sistema inalámbrico mundial

Referencias

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Otras lecturas

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Patentes

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enlaces externos

• Howstuffworks "Cómo funciona la energía inalámbrica": describe la transmisión de energía inalámbrica de rango cercano y medio mediante técnicas de inducción y radiación.
• Transmisión de energía por microondas: su historia antes de 1980.
• La plataforma de retransmisión estacionaria a gran altitud (SHARP), alimentada por haz de microondas.
• MIT WiTricity de Marin Soljačić: páginas de transmisión de energía inalámbrica.
• Rezence: sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por Alliance for Wireless Power
• Qi: sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por Wireless Power Consortium
• PMA: sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por Power Matters Alliance
• WiPow: sitio oficial de WiPow Coalition, que promueve la energía inalámbrica estandarizada para dispositivos médicos, de movilidad y con ruedas.