Transferencia de energía inalámbrica

Transmisión eléctrica sin conexión física

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

Diagrama de bloques genérico de un sistema de energía inalámbrica

La transferencia de energía inalámbrica ( WPT , también transmisión de energía inalámbrica o WET ) es la transmisión de energía eléctrica sin cables como enlace físico. En un sistema de transmisión de energía inalámbrica, un dispositivo transmisor alimentado 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, la comodidad y la seguridad de un dispositivo electrónico para todos los usuarios. ^[2] La transferencia de energía inalámbrica es útil para alimentar dispositivos eléctricos donde los cables de interconexión son inconvenientes, peligrosos o no son posibles.

Las técnicas de energía inalámbrica se dividen principalmente en dos categorías: campo cercano y campo lejano . ^[3] En las técnicas de campo cercano o no radiactivas , 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 de energía inalámbrica continua en dispositivos médicos implantables como marcapasos cardíacos artificiales o vehículos eléctricos . En las técnicas de campo lejano o radiactivas , 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 alimentación inalámbrica . ^{[9] [10] [11]}

La transferencia de energía inalámbrica es un término genérico para varias tecnologías diferentes para transmitir energía por medio de campos electromagnéticos . ^{[12] [13] [14]} Las tecnologías difieren en la distancia a la que pueden transferir energía de manera eficiente, si el transmisor debe apuntar (dirigir) al receptor y en el tipo de energía electromagnética que utilizan: campos eléctricos variables en el tiempo , campos magnéticos , ondas de radio , microondas , ondas de luz infrarrojas o visibles . ^[15]

En general, un sistema de energía inalámbrica consta de un dispositivo "transmisor" conectado a una fuente de energía, como una línea de alimentación de red , que convierte la energía en un campo electromagnético variable en el tiempo, y uno o más dispositivos "receptores" que reciben la energía y la convierten nuevamente en corriente eléctrica de CC o CA que es utilizada por una carga eléctrica . ^{[12] [15]} En el transmisor, la energía de entrada se convierte en un campo electromagnético oscilante mediante algún tipo de dispositivo de " antena ". La palabra "antena" se usa aquí de manera vaga; puede ser una bobina de cable 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 o dispositivo de acoplamiento similar 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 inalámbrica como la radio , ^{[16] [17]} otra tecnología familiar que implica energía eléctrica transmitida sin cables por campos electromagnéticos, utilizada en teléfonos celulares , transmisión de radio y televisión y WiFi . En la comunicación por radio, el objetivo es la transmisión de información, por lo que la cantidad de energía que llega al receptor no es tan importante, siempre que sea suficiente para que la información pueda recibirse de manera inteligible. ^{[13] [16] [17]} En las tecnologías de comunicación inalámbrica, solo pequeñas cantidades de energía llegan al receptor. Por el contrario, con la transferencia de energía inalámbrica, la cantidad de energía recibida es lo importante, por lo que la eficiencia (fracción de energía transmitida que se recibe) es el parámetro más significativo. ^[13] 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 alimentar transmisores o receptores de información inalámbricos. Este tipo de comunicación se conoce como comunicación alimentada por energía inalámbrica (WPC).Cuando la energía recolectada se utiliza para suministrar energía a transmisores de información inalámbricos, la red se conoce como Transferencia Simultánea de Información y Energía Inalámbrica (SWIPT); ^[18] mientras que cuando se utiliza para suministrar energía a receptores de información inalámbricos, se conoce como Red de Comunicación Alimentada Inalámbrica (WPCN). ^{[19] [20] [21]}

Una cuestión importante asociada a todos los sistemas de energía inalámbrica es limitar la exposición de las personas y otros seres vivos a campos electromagnéticos potencialmente dañinos . ^{[22] [23]}

Historia

Evolución del siglo XIX y callejones sin salida

El siglo XIX fue testigo de muchos desarrollos de teorías y contrateorías sobre cómo se podría transmitir 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. La transmisión de energía eléctrica sin cables fue observada por muchos inventores y experimentadores, ^{[24] [25] [26]} pero la falta de una teoría coherente atribuyó estos fenómenos vagamente a la inducción electromagnética . ^[27] Una explicación concisa de estos fenómenos vendría de las ecuaciones de Maxwell de la década de 1860 ^[28] de James Clerk Maxwell , estableciendo una teoría que unificó la electricidad y el magnetismo en el 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 de transferencia de energía inalámbrica. ^{[28] [29]} Esto fue seguido por la validación de la teoría de Heinrich Rudolf Hertz en 1888, que incluía la evidencia de las ondas de radio . ^[29]

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 existía un estrato atmosférico electrificado accesible a baja altitud. ^{[30] [31]} Las patentes de ambos inventores indicaban que esta capa conectada con un camino de retorno que utilizaba "corrientes terrestres" permitiría la telegrafía inalámbrica, así como el suministro de energía para el telégrafo, eliminando las baterías artificiales, y también podría utilizarse para iluminación, calor y fuerza motriz. ^{[32] [33]} Una demostración más práctica de la transmisión inalámbrica por conducción se produjo en el teléfono magnetoeléctrico de Amos Dolbear de 1879, que utilizaba la conducción terrestre para transmitir a una distancia de un cuarto de milla. ^[34]

Nikola Tesla

Tesla demuestra la transmisión inalámbrica por "inducción electrostática" durante una conferencia en el Columbia College en 1891. 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 en los dos largos tubos Geissler que tiene en las manos, lo que hace que brillen de manera similar a los tubos de neón .

Después de 1890, el inventor Nikola Tesla experimentó con la transmisión de energía mediante acoplamiento inductivo y capacitivo utilizando transformadores resonantes de radiofrecuencia excitados por chispa , ahora llamados bobinas de Tesla , que generaban altos voltajes de CA. ^{[28] [35] [36]} Al principio, intentó desarrollar un sistema de iluminación inalámbrico basado en acoplamiento inductivo y capacitivo de campo cercano ^[35] y realizó una serie de demostraciones públicas en las que encendió tubos Geissler e incluso bombillas incandescentes desde el otro lado de un escenario. ^{[35] [36] [37]} Descubrió que podía aumentar la distancia a la que podía encender una lámpara utilizando un circuito LC receptor sintonizado en resonancia con el circuito LC del transmisor. ^[38] utilizando acoplamiento inductivo resonante . ^{[35] [39]} Tesla no logró fabricar un producto comercial a partir de sus hallazgos ^[40] pero su método de acoplamiento inductivo resonante ahora se usa ampliamente en electrónica y actualmente se está aplicando a sistemas de energía inalámbricos de corto alcance. ^{[35] [41]}

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

Tesla continuó desarrollando un sistema de distribución de energía inalámbrica que esperaba que fuera capaz de transmitir energía a larga distancia directamente a hogares y fábricas. Al principio pareció tomar prestadas las ideas de Mahlon Loomis, ^{[42] [43]} proponiendo un sistema compuesto por globos para suspender electrodos transmisores y receptores en el aire por encima de los 30.000 pies (9.100 m) de altitud, donde pensó que la presión le permitiría enviar altos voltajes (millones de voltios) a largas distancias. Para estudiar más a fondo la naturaleza conductora del aire a baja presión, instaló una instalación de prueba a gran altitud en Colorado Springs durante 1899. ^{[44] [45] [46]} Los experimentos que realizó allí con una gran bobina que operaba en el rango de megavoltios, así como las observaciones que hizo del ruido electrónico de los rayos, lo llevaron a concluir incorrectamente ^{[47] [34]} que podía usar todo el globo terrestre para conducir energía eléctrica. La teoría incluía impulsar pulsos de corriente alterna hacia la Tierra a su frecuencia resonante 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 en resonancia con ella en cualquier punto de la Tierra con muy poca pérdida de energía. ^{[48] [49] [50]} Sus observaciones también lo llevaron a creer que un alto voltaje utilizado en una bobina a una altura de unos cientos de pies "rompería el estrato de aire", eliminando la necesidad de kilómetros de cable colgando de globos para crear su circuito de retorno atmosférico. ^{[51] [52]} Tesla continuaría el año siguiente para proponer un " Sistema Inalámbrico Mundial " que debía transmitir información y energía a todo el mundo. ^{[53] [54]} 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.

Acontecimientos de posguerra

Antes de la Segunda Guerra Mundial, se habían logrado pocos avances en la transmisión inalámbrica de energía. ^[55] La radio se desarrolló para usos de comunicación, pero no podía utilizarse para la transmisión de energía ya que las ondas de radio de frecuencia relativamente baja se propagaban en todas direcciones y llegaba poca energía al receptor. ^{[28] [55]} En la comunicación por radio, en el receptor, un amplificador intensifica una señal débil utilizando energía de otra fuente. Para la transmisión de energía, la transmisión eficiente requería transmisores que pudieran generar microondas de frecuencia más alta , que pueden enfocarse en haces estrechos hacia un receptor. ^{[28] [55] [56]}

El desarrollo de la tecnología de microondas durante la Segunda Guerra Mundial, como los tubos klistrón y magnetrón y las antenas parabólicas , ^[55] hizo que los métodos radiativos ( de campo lejano ) fueran prácticos por primera vez, y la primera transmisión de energía inalámbrica a larga distancia se logró en la década de 1960 por William C. Brown . ^[28] En 1964, Brown inventó la rectenna que podía convertir eficientemente las microondas en energía de CC, y en 1964 lo demostró con el primer avión propulsado de forma inalámbrica, un modelo de helicóptero propulsado por microondas emitidas desde el suelo. ^[55]

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. Estos campos contienen energía , pero no pueden transportar potencia porque son estáticos. Sin embargo, los campos que varían con el tiempo pueden transportar potencia. ^[61] 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 con el tiempo en el espacio que las 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 la 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 del _{rango de distancia} D desde la antena. ^{[12] [15] [16] [57] [62] [63] [64]} El límite entre las regiones está definido de forma algo vaga. ^[15] Los campos tienen diferentes características en estas regiones y se utilizan diferentes tecnologías para transferir energía:

• Región de campo cercano o no radiactiva : Esto significa el área dentro de aproximadamente 1 longitud de onda ( λ ) de la antena. ^{[12] [62] [63]} En esta región, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes están separados ^[16] y la energía se puede transferir a través de campos eléctricos por acoplamiento capacitivo ( inducción electrostática ) entre electrodos metálicos, ^{[4] [5] [6] [7]} o a través de campos magnéticos por acoplamiento inductivo ( inducción electromagnética ) entre bobinas de alambre. ^{[13] [15] [16] [57]} Estos campos no son radiativos , ^[63] lo que significa que la energía permanece dentro de una distancia corta del transmisor. ^[65] Si no hay un dispositivo receptor o material absorbente dentro de su rango limitado para "acoplarse", no sale energía del transmisor. ^[65] El rango de estos campos es corto y depende del tamaño y la forma de los dispositivos de "antena", que generalmente son bobinas de alambre. Los campos, y por tanto la potencia transmitida, disminuyen exponencialmente con la distancia, ^{[62] [64] [66]} por lo que si la distancia entre las dos "antenas" _D es mucho mayor que el diámetro de las "antenas" D , se recibirá muy poca potencia. 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, lo que permite una transmisión eficiente a distancias algo mayores, ^{[12] [16] [57] [62] [67] [68]} aunque los campos siguen disminuyendo exponencialmente. Por lo tanto, el alcance de los dispositivos de campo cercano se divide convencionalmente en dos categorías:
  • Corto alcance : hasta aproximadamente un diámetro de antena: D _rango ≤ D _ant . ^{[65] [67] [69]} Este es el rango en el que el acoplamiento inductivo o capacitivo no resonante ordinario puede transferir cantidades prácticas de potencia.
  • Rango medio : hasta 10 veces el diámetro de la antena: _rango D ≤ 10 D _ant . ^{[67] [68] [69] [70]} Este es el rango en el que el acoplamiento inductivo o capacitivo 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 , microondas u ondas de luz . ^{[12] [57] [62]} Esta parte de la energía es radiativa , ^[63] lo que significa que sale de la antena haya o no un receptor para absorberla. La parte de energía que no llega a la antena receptora se disipa y se pierde en el sistema. La cantidad de energía 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 , ^[71] que está determinada por la frecuencia: λ = c/f . A frecuencias bajas f donde la antena es mucho más pequeña que el tamaño de las ondas, D _ant << λ , se irradia muy poca energía. Por lo tanto, los dispositivos de campo cercano, que utilizan frecuencias más bajas, casi no irradian su energía como radiación electromagnética. Las antenas de tamaño similar a la longitud de onda D _ant ≈ λ, como las antenas monopolares o dipolos , irradian potencia de manera eficiente, pero las ondas electromagnéticas se irradian en todas las direcciones ( omnidireccionalmente ), por lo que si la antena receptora está lejos, solo una pequeña cantidad de la radiación la alcanzará. ^{[63] [67]} Por lo tanto, se pueden utilizar para transmisiones de potencia ineficientes de corto alcance, pero no para transmisiones de largo alcance. ^[72] Sin embargo, a diferencia de los campos, la radiación electromagnética se puede enfocar por 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 transmisiones de potencia de largo alcance. ^{[67] [72]} 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 . ^[73] Potencia práctica del hazLos dispositivos requieren longitudes de onda en la región de centímetros o inferiores, correspondientes a frecuencias superiores a 1 GHz, en el rango de microondas o superior. ^[12]

Técnicas de campo cercano (no radiactivas)

A grandes distancias relativas, los componentes de campo cercano de los campos eléctricos y magnéticos son aproximadamente campos dipolares oscilantes cuasiestáticos . Estos campos disminuyen con el cubo de la distancia: ( D _range / D _ant ) ^{−3 [64] [74]} Dado que la potencia es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo, la potencia transferida disminuye como ( D _range / D _ant ) ⁻⁶ . ^{[16] [66] [75] [76]} o 60 dB por década. En otras palabras, si están muy separadas, aumentar la distancia entre las dos antenas diez veces hace que la potencia recibida disminuya en un factor de 10 ⁶ = 1000000. Como resultado, el acoplamiento inductivo y capacitivo solo 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 dipolares 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 ^{[57] [77]} o transferencia de potencia inductiva , IPT), la potencia se transfiere entre bobinas de cable mediante un campo magnético . ^[16] Las bobinas del transmisor y del receptor forman juntas un transformador . ^{[16] [57]} Una corriente alterna (CA) a través de la bobina del transmisor (L1) crea un campo magnético oscilante (B) por la ley de Ampere . El campo magnético pasa a través de la bobina receptora (L2) , donde induce un EMF ( voltaje ) alterno por la ley de inducción de Faraday , que crea una corriente alterna en el receptor. ^{[13] [77]} 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 cargadores de cepillos de dientes eléctricos, funcionan a 50/60 Hz, por lo que la corriente alterna de la red se aplica directamente a la bobina del transmisor, pero en la mayoría de los sistemas un oscilador electrónico genera una corriente alterna de mayor frecuencia que impulsa la bobina, porque la eficiencia de transmisión mejora con la frecuencia . ^[77]

El acoplamiento inductivo es la tecnología de energía inalámbrica más antigua y más utilizada, y prácticamente la única que se utiliza hasta ahora en productos comerciales. Se utiliza en soportes de carga inductiva para aparatos inalámbricos utilizados en entornos húmedos, como cepillos de dientes eléctricos ^[57] y afeitadoras, para reducir el riesgo de descarga eléctrica. ^[78] Otra área de aplicación es la recarga "transcutánea" de dispositivos protésicos biomédicos implantados en el cuerpo humano, como marcapasos cardíacos , para evitar que los cables pasen a través de la piel. ^{[79] [80]} También se utiliza para cargar vehículos eléctricos como automóviles y para cargar o alimentar vehículos de tránsito como autobuses y trenes. ^[57]

Sin embargo, el uso de más rápido crecimiento es el de las plataformas de carga inalámbrica para recargar dispositivos inalámbricos móviles y portátiles, como computadoras portátiles y tabletas , ratones de computadora , teléfonos celulares , reproductores de medios digitales y controladores de videojuegos . ^{[ cita requerida ]} 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. ^[81]

La potencia transferida aumenta con la frecuencia ^[77] y la inductancia mutua entre las bobinas, ^[13] que depende de su geometría y la distancia entre ellas. Una figura de mérito ampliamente utilizada es el coeficiente de acoplamiento . ^{[77] [82]} Este parámetro adimensional es igual a la fracción de flujo magnético a través de la bobina transmisora ​​que pasa a través de la bobina receptora cuando L2 está en circuito abierto. Si las dos bobinas están en el mismo eje y juntas, todo el flujo magnético de pasa a través de , y la eficiencia del enlace se acerca al 100%. Cuanto mayor sea la separación entre las bobinas, más del campo magnético de la primera bobina pierde la segunda, y menor es y la eficiencia del enlace, acercándose a cero en grandes separaciones. ^[77] La ​​eficiencia del enlace y la potencia transferida son aproximadamente proporcionales a . ^[77] Para lograr una alta eficiencia, las bobinas deben estar muy juntas, una fracción del diámetro de la bobina , ^[77] generalmente dentro de centímetros, ^[72] con los ejes de las bobinas alineados. Generalmente se utilizan formas de bobina anchas y planas para aumentar el acoplamiento. ^{[77] Los núcleos de "confinamiento de flujo"} de ferrita pueden confinar los campos magnéticos, mejorando el acoplamiento y reduciendo la interferencia con los dispositivos electrónicos cercanos, ^{[77] [79]} 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 solo puede lograr una alta eficiencia cuando las bobinas están muy juntas, generalmente adyacentes. En la mayoría de los sistemas inductivos modernos se utiliza el acoplamiento inductivo resonante , en el que la eficiencia se aumenta mediante el uso de circuitos resonantes . ^{[63] [68] [77] [28]} Esto puede lograr altas eficiencias a mayores distancias que el acoplamiento inductivo no resonante.

Acoplamiento inductivo resonante

Diagrama de bloques genérico de un sistema de energía inalámbrica inductiva

El acoplamiento inductivo resonante ( acoplamiento electrodinámico , ^[57] resonancia magnética fuertemente acoplada ^[67] ) es una forma de acoplamiento inductivo en el que la potencia se transfiere mediante campos magnéticos (B, verde) entre dos circuitos resonantes (circuitos sintonizados), uno en el transmisor y otro en el receptor. ^{[16] [57] [63] [78] [28]} Cada circuito resonante consta de una bobina de cable conectada a un condensador , o una bobina autorresonante 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 vibración simpática en un diapasón distante sintonizado al mismo tono.

Nikola Tesla descubrió por primera vez el acoplamiento resonante durante sus experimentos pioneros en transferencia de energía inalámbrica a principios del siglo XX, ^{[38] [35] [39]} pero las posibilidades de usar el acoplamiento resonante para aumentar el alcance de transmisión solo se han explorado recientemente. ^[83] En 2007, un equipo dirigido por Marin Soljačić en el MIT utilizó dos circuitos acoplados sintonizados, 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. ^{[57] [67] [78] [35] [84]}

El concepto detrás de los sistemas de acoplamiento inductivo resonante es que los resonadores de alto factor Q intercambian energía a una tasa mucho mayor de la que pierden energía debido a la amortiguación interna . ^[67] Por lo tanto, al usar resonancia, se puede transferir la misma cantidad de energía a mayores distancias, utilizando los campos magnéticos mucho más débiles en las regiones periféricas ("colas") de los campos cercanos. ^[67] El acoplamiento inductivo resonante puede lograr una alta eficiencia en rangos de 4 a 10 veces el diámetro de la bobina ( D _ant ). ^{[68] [69] [70]} Esto se llama transferencia de "rango medio", ^[69] en contraste con el "rango corto" de la transferencia inductiva no resonante, que puede lograr eficiencias similares solo 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 energía debido a la absorción en objetos cercanos dispersos son insignificantes. ^{[63] [67]}

Una desventaja de la teoría del acoplamiento resonante es que en rangos cercanos 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, ^{[85] [86] [87]} por lo que la transferencia de potencia máxima ya no ocurre en la frecuencia resonante original y la frecuencia del oscilador debe ajustarse al nuevo pico de resonancia. ^{[68] [88]}

La tecnología resonante se está incorporando actualmente de forma generalizada en los sistemas de energía inalámbrica inductiva modernos. ^[77] 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 ser capaz de alimentar de forma inalámbrica luces y dispositivos móviles en cualquier lugar de la habitación, con una eficiencia razonable. ^[78] Un beneficio ambiental y económico de alimentar de forma inalámbrica dispositivos pequeños como relojes, radios, reproductores de música y controles remotos es que podría reducir drásticamente los 6 mil millones de baterías que se desechan cada año, una gran fuente de desechos tóxicos y contaminación de las aguas subterráneas. ^[72]

Un estudio para el ejército sueco descubrió que los sistemas de 85 kHz para transferencia de energía inalámbrica dinámica para vehículos pueden causar interferencias electromagnéticas en un radio de hasta 300 kilómetros. ^[89]

Acoplamiento capacitivo

El acoplamiento capacitivo , también conocido como acoplamiento eléctrico, utiliza campos eléctricos para la transmisión de potencia entre dos electrodos (un ánodo y un cátodo ) formando una capacitancia para la transferencia de potencia. ^[90] En el acoplamiento capacitivo ( inducción electrostática ), el conjugado del acoplamiento inductivo , la energía se transmite mediante campos eléctricos ^{[4] [13] [5] [7]} entre electrodos ^[6] como placas de metal. Los electrodos transmisor y receptor forman un condensador , con el espacio intermedio como dieléctrico . ^{[6] [13] [16] [57] [79] [91]} Un voltaje alterno generado por el transmisor se aplica a la placa transmisora, y el campo eléctrico oscilante induce un potencial alterno en la placa receptora por inducción electrostática , ^{[13] [91]} que hace que fluya una corriente alterna en el circuito de carga. La cantidad de potencia transferida aumenta con la frecuencia ^[91] , 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. ^[13]

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, ^{[16] [57]} y pueden causar efectos secundarios desagradables como la producción nociva de ozono . Además, a diferencia de los campos magnéticos, ^[67] los campos eléctricos interactúan fuertemente con la mayoría de los materiales, incluido el cuerpo humano, debido a la polarización dieléctrica . ^[79] Los materiales intermedios entre o cerca de los electrodos pueden absorber la energía, en el caso de los humanos posiblemente causando una exposición excesiva al campo electromagnético. ^[16] Sin embargo, el acoplamiento capacitivo tiene algunas ventajas sobre el acoplamiento inductivo. El campo está confinado en gran medida entre las placas del condensador, lo que reduce la interferencia, que en el acoplamiento inductivo requiere núcleos de "confinamiento de flujo" de ferrita pesados. ^{[13] [79]} Además, los requisitos de alineación entre el transmisor y el receptor son menos críticos. ^{[13] [16] [91]} El acoplamiento capacitivo se ha aplicado recientemente a la carga de dispositivos portátiles alimentados por batería ^[4], así como a la carga o transferencia continua de energía inalámbrica en implantes biomédicos, ^{[5] [6] [7]} y se está considerando como un medio para transferir energía entre capas de sustrato en circuitos integrados. ^[92]

Se han utilizado dos tipos de circuito:

• Diseño transversal (bipolar): ^{[5] [7] [93] [94]} En este tipo de circuito, hay dos placas transmisoras y dos placas receptoras. Cada placa transmisora ​​está acoplada a una placa receptora. El oscilador transmisor impulsa las placas transmisoras en fase opuesta (diferencia de fase de 180°) mediante un alto voltaje alterno, y la carga está conectada entre las dos placas receptoras. Los campos eléctricos alternos inducen potenciales alternos de fase opuesta en las placas receptoras, y esta acción de "empujar y jalar" hace que la corriente fluya de ida y vuelta entre las placas a través de la carga. Una desventaja de esta configuración para la carga inalámbrica es que las dos placas en el dispositivo receptor deben estar alineadas cara a cara con las placas del cargador para que el dispositivo funcione. ^[14]
• Diseño longitudinal (unipolar): ^{[13] [91] [94]} En este tipo de circuito, el transmisor y el receptor tienen un solo electrodo activo, y la tierra o un electrodo pasivo grande sirven como camino de retorno para la corriente. El oscilador del 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 alterno de la carga en el dipolo de carga a través de inducción electrostática . ^[95]

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 inductivo y capacitivo resonante.

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. ^{[96] [97]} 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 ). ^{[98] [99]} A diferencia de los sistemas de acoplamiento inductivo que generalmente utilizan campos magnéticos de alta frecuencia, EWPT utiliza campos magnéticos de baja frecuencia (<1 kHz), ^{[100] [101] [102]} que pasan de manera segura a través de medios conductores y tienen límites de exposición al campo humano más altos (~2 mTrms a 1 kHz), ^{[103] [104]} mostrando promesa para el uso potencial en la recarga inalámbrica de implantes biomédicos . Para los dispositivos EWPT que tienen frecuencias resonantes idénticas, la magnitud de la transferencia de energía depende completamente del coeficiente de acoplamiento crítico, denotado por , entre los dispositivos transmisor y receptor. En el caso de 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 ( ) hasta el régimen acoplado crítico, la curva de ganancia de voltaje óptima crece en magnitud (medida en el receptor) y alcanza un pico cuando y luego entra en el régimen sobreacoplado donde y el pico se divide en dos. ^[105] Se demuestra que este coeficiente de acoplamiento crítico es una función de la distancia entre los dispositivos fuente y receptor. ^{[106] [107]} ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle k<k_{crit}}$ ${\displaystyle k=k_{crit}}$ ${\displaystyle k>k_{crit}}$

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. ^[58] La armadura del transmisor gira mediante o como el rotor de un motor eléctrico , y su campo magnético ejerce un par sobre la armadura del receptor, girándola. El campo magnético actúa como un acoplamiento mecánico entre las armaduras. ^[58] La armadura del receptor produce potencia para impulsar la carga, ya sea haciendo girar un generador eléctrico separado o utilizando la propia armadura del receptor como rotor en un generador.

Este dispositivo se ha propuesto como una alternativa a la transferencia de energía inductiva para la carga sin contacto de vehículos eléctricos . ^[58] Una armadura giratoria incrustada en el piso o la acera de un garaje haría girar una armadura receptora en la parte inferior del vehículo para cargar sus baterías. ^[58] Se afirma que esta técnica puede transferir energía a distancias de 10 a 15 cm (4 a 6 pulgadas) con alta eficiencia, más del 90%. ^{[58] [108]} Además, los campos magnéticos dispersos 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 sistema prototipo 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 (eléctrica a mecánica a eléctrica nuevamente) hacen que el sistema sea menos eficiente que los sistemas eléctricos como el acoplamiento inductivo. ^[58]

Transmisión de ondas Zenneck

Oruganti et al. mostraron 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. ^{[109] [110] [111]} 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. ^[109]

Técnicas de campo lejano (radiativas)

Los métodos de campo lejano permiten obtener mayores alcances, a menudo de varios kilómetros, donde la distancia es mucho mayor que el diámetro del dispositivo o 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 de recepción. La directividad máxima de las antenas está limitada físicamente por la difracción .

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

Las dimensiones de los componentes pueden estar dictadas por la distancia del transmisor al 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 imágenes, se puede considerar al revés y dicta que la irradiancia (o intensidad ) de cualquier onda electromagnética (como un microondas o un rayo láser) se reducirá a medida que el rayo diverge a lo largo de la distancia a una tasa mínima inversamente proporcional al tamaño de la apertura. Cuanto mayor sea la relación entre la apertura de una antena transmisora ​​o la apertura de salida de un láser y la longitud de onda de la radiación, más se puede concentrar la radiación en un haz compacto .

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

En este caso, los niveles de potencia se calculan combinando los parámetros y sumando las ganancias y pérdidas debidas a las características de la antena y la transparencia y dispersión del medio por el que pasa la radiación. Ese proceso se conoce como cálculo del presupuesto del enlace .

Microondas

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

La transmisión de energía a través de ondas de radio se puede hacer más direccional, lo que permite la transmisión de energía a mayor distancia, con longitudes de onda más cortas de radiación electromagnética, típicamente en el rango de las microondas . ^[112] Se puede utilizar una rectenna para convertir la energía de microondas nuevamente en electricidad. Se han logrado eficiencias de conversión de rectenna superiores al 95%. ^{[ cita requerida ] Se ha propuesto la transmisión de energía mediante 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 naves espaciales que salen de la órbita. ^{[113] [114]}

La transmisión de energía mediante microondas presenta la dificultad de que, para la mayoría de las aplicaciones espaciales, los tamaños de apertura requeridos son muy grandes debido a que la difracción limita la direccionalidad de la antena. Por ejemplo, el estudio de la NASA de 1978 sobre satélites de energía solar requirió una antena transmisora ​​de 1 kilómetro de diámetro (0,62 mi) y una rectenna receptora de 10 kilómetros de diámetro (6,2 mi) para un haz de microondas a 2,45 GHz . ^[115] Estos tamaños se pueden reducir 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 hacer un haz más estrecho combinando los haces de varios satélites más pequeños.

Para aplicaciones terrestres, un sistema de recepción de gran superficie 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/cm2 ^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 plantas de energía eléctrica modernas. A modo de comparación, un parque solar fotovoltaico 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 energía de microondas. ^[116]

El investigador japonés Hidetsugu Yagi también investigó la transmisión de energía inalámbrica utilizando una antena direccional que él mismo diseñó. En febrero de 1926, Yagi y su colega Shintaro Uda publicaron su primer artículo sobre la antena direccional de alta ganancia sintonizada que ahora se conoce 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. ^[117]

La transmisión inalámbrica de alta potencia mediante microondas está bien demostrada. En 1975 se realizaron experimentos con decenas de kilovatios en el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo Goldstone en California ^{[118] [119] [55]} y más recientemente (1997) en Grand Bassin en la Isla Reunión ^[120] . Estos métodos permiten alcanzar distancias del orden de un kilómetro.

En condiciones experimentales, se midió que la eficiencia de conversión de microondas era de alrededor del 54 % a lo largo de un metro. ^[121]

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 mediante antenas de matriz en fase puede suministrar energía eléctrica a una distancia de hasta 30 pies. Utiliza las mismas frecuencias de radio que el wifi. ^{[122] [123]}

En 2015, investigadores de la Universidad de Washington introdujeron la tecnología Power over Wi-Fi, que permite cargar baterías de forma continua y alimentar cámaras y sensores de temperatura sin batería mediante transmisiones de enrutadores Wi-Fi. ^{[124] [125]} Se demostró que las señales Wi-Fi alimentan sensores de temperatura y cámaras sin batería a distancias de hasta 20 pies. También se demostró que el Wi-Fi se puede utilizar para cargar de forma continua de forma inalámbrica baterías de níquel-metal hidruro y de iones de litio tipo botón a distancias de hasta 28 pies.

En 2017, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) certificó el primer transmisor de radiofrecuencia (RF) de campo medio de energía inalámbrica. ^[126] En 2021, la FCC otorgó una licencia a un sistema de carga inalámbrica por aire (OTA) que combina métodos de campo cercano y campo lejano mediante el uso de una frecuencia de aproximadamente 900 MHz. Debido a la potencia radiada de aproximadamente 1 W, este sistema está destinado a pequeños dispositivos IoT como varios sensores, rastreadores, detectores y monitores. ^[127]

Láseres

Un rayo láser centrado en un panel de células fotovoltaicas proporciona suficiente energía a un modelo de avión ligero para que pueda volar.

En el caso de la radiación electromagnética más cercana a la región visible del espectro (de 0,2 a 2 micrómetros ), la energía se puede transmitir convirtiendo la electricidad en un haz láser que se recibe y se concentra en células fotovoltaicas (células solares). ^{[128] [129]} Este mecanismo se conoce generalmente como "emisión de energía" porque la energía se emite a un receptor que puede convertirla en energía eléctrica. En el receptor, se aplican convertidores de energía láser fotovoltaica especiales que están optimizados para la conversión de luz monocromática. ^[130]

Las ventajas en comparación con otros métodos inalámbricos son: ^[131]

• La propagación del frente de onda monocromático colimado permite una 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.
• Sin interferencias de radiofrecuencia en las comunicaciones de radio existentes, como Wi-Fi y teléfonos celulares.
• Control de acceso: sólo los receptores alcanzados por el láser reciben energía.

Las desventajas incluyen:

• La radiación láser es peligrosa. Sin un mecanismo de seguridad adecuado, los niveles bajos de potencia pueden cegar a personas y otros animales. Los niveles altos de potencia pueden matar a través del calentamiento localizado.
• La conversión entre electricidad y luz es limitada. Las células fotovoltaicas alcanzan una eficiencia máxima del 40% al 50%. ^[132]
• La absorción atmosférica, así como la absorción y dispersión por nubes, niebla, lluvia, etc., provocan pérdidas de hasta el 100%.
• Requiere una línea de visión directa con el objetivo. (En lugar de dirigirse directamente al receptor, la luz láser también puede ser guiada por una fibra óptica. En ese caso se habla de tecnología de potencia a través de fibra ).

La tecnología de "transmisión de energía" por láser se ha explorado en aplicaciones de armas militares ^{[133] [134] [135]} y aeroespaciales ^{[136] [137]} . También se aplica para alimentar varios tipos de sensores en entornos industriales. Últimamente, se ha desarrollado para alimentar productos electrónicos comerciales y de consumo . Los sistemas de transferencia de energía inalámbrica que utilizan láseres para el espacio de consumo tienen que satisfacer los requisitos de seguridad de láser estandarizados según IEC 60825. ^{[ cita requerida ]}

El primer sistema de energía inalámbrica que utiliza láseres para aplicaciones de consumo fue Wi-Charge , presentado en 2018, capaz de suministrar energía a dispositivos fijos y móviles en una habitación. Este sistema de energía inalámbrica cumple con las normas de seguridad según la norma IEC 60825. También está aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA). ^[138]

Otros detalles incluyen la propagación , ^[139] y la coherencia y el problema de limitación de rango . ^[140]

Geoffrey Landis ^{[141] [142] [143]} es uno de los pioneros de los satélites de energía solar ^{[144] 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 . ^{[145] [146]}

El Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA ha demostrado un modelo de avión no tripulado ligero propulsado por un rayo láser. ^[147] Esta prueba de concepto demuestra la viabilidad de la recarga periódica utilizando un sistema de rayo láser.

Científicos de la Academia China de Ciencias han desarrollado una prueba de concepto de utilización de un láser de doble longitud de onda para cargar de forma inalámbrica dispositivos portátiles o vehículos aéreos no tripulados. ^[148]

Acoplamiento de canales de plasma atmosférico

En el acoplamiento de canales de plasma atmosférico, la energía se transfiere entre dos electrodos por conducción eléctrica a través del aire ionizado. ^[149] Cuando existe un gradiente de campo eléctrico entre los dos electrodos, que supera los 34 kilovoltios por centímetro a la presión atmosférica a nivel del mar, se produce un arco eléctrico. ^[150] 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 es el rayo natural, donde un electrodo es un punto virtual en una nube y el otro es un punto en la Tierra. Actualmente, se están realizando investigaciones sobre el canal de plasma inducido por láser (LIPC) 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 una ruta específica de una manera controlable. ^[151] 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. ^[152] ${\displaystyle p}$

Este nuevo proceso se está explorando para su uso como pararrayos láser y como un medio para disparar rayos desde las nubes para estudios de canales de rayos naturales, ^[153] para estudios de propagación atmosférica artificial, como sustituto de antenas de radio convencionales, ^[154] para aplicaciones asociadas con la soldadura eléctrica y el mecanizado, ^{[155] [156]} para desviar energía de descargas de condensadores de alto voltaje, para aplicaciones de armas de energía dirigida que emplean conducción eléctrica a través de un camino de retorno a tierra, ^{[157] [158] [159] [160]} y interferencia electrónica . ^[161]

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 entorno en energía eléctrica, principalmente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos inalámbricos autónomos. ^[162] La energía ambiental puede provenir de campos eléctricos o magnéticos dispersos u ondas de radio de equipos eléctricos cercanos, luz, energía térmica (calor) o energía cinética como la vibración o el movimiento del dispositivo. ^[162] Aunque la eficiencia de la conversión suele ser baja y la energía recolectada a menudo minúscula (milivatios o microvatios), ^[162] puede ser adecuada para hacer funcionar o recargar pequeños dispositivos inalámbricos de microenergía como sensores remotos , que están proliferando en muchos campos. ^[162] Esta nueva tecnología se está desarrollando para eliminar la necesidad de reemplazar o cargar la batería de dichos dispositivos inalámbricos, lo que les permite funcionar de manera completamente autónoma. ^{[163] [164]}

Usos

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 cocinar por inducción . ^[165]

Con la llegada de los dispositivos inalámbricos , se han desarrollado soportes de carga por inducción para aparatos utilizados en entornos húmedos, como cepillos de dientes eléctricos y afeitadoras eléctricas , para eliminar el riesgo de descarga eléctrica. Una de las primeras aplicaciones propuestas de la transferencia inductiva fue la de alimentar locomotoras eléctricas. En 1892, Maurice Hutin y Maurice Leblanc patentaron un método inalámbrico para alimentar trenes de ferrocarril 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. Si bien los primeros sistemas utilizaban una bobina receptora resonante, los sistemas posteriores ^[168] también implementaron bobinas transmisoras resonantes. Estos dispositivos médicos están diseñados para una alta eficiencia utilizando electrónica de baja potencia, al mismo tiempo que se adaptan de manera eficiente a cierta desalineación y torsión dinámica de las bobinas. La separación entre las bobinas en aplicaciones implantables es comúnmente 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 RFID (identificación por radiofrecuencia) pasivas fueron inventadas por Mario Cardullo ^[170] (1973) y Koelle et al. ^[171] (1975) y en la década de 1990 ya se utilizaban en tarjetas de proximidad y tarjetas inteligentes sin contacto .

La proliferación de dispositivos portátiles de comunicación inalámbrica, como teléfonos móviles , tabletas y ordenadores portátiles en las últimas décadas, está impulsando actualmente el desarrollo de tecnología de carga y alimentación inalámbrica de gama media para eliminar la necesidad de que estos dispositivos estén atados a enchufes de pared durante la carga. ^[172] El Consorcio de Energía Inalámbrica se creó en 2008 para desarrollar estándares interoperables entre fabricantes. ^[172] Su estándar de energía inductiva Qi publicado en agosto de 2009 permite la carga y alimentación de alta eficiencia de dispositivos portátiles de hasta 5 vatios en distancias de 4 cm (1,6 pulgadas). ^[173] El dispositivo inalámbrico se coloca en una placa de carga plana (que se puede incrustar en las mesas de los cafés, 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 una eficiencia de alrededor del 40%. ^{[35] [84]}

En 2008, el equipo de Greg Leyh y Mike Kennan del Laboratorio de Relámpagos de Nevada 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 de tierra a 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 energía a lo largo 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]

Una de las principales motivaciones para la investigación de microondas en los años 1970 y 1980 fue desarrollar un satélite para energía solar basada en el espacio . ^{[28] [55]} Concebido en 1968 por Peter Glaser , este recolectaría energía de la luz solar usando células solares y la transmitiría a la Tierra como microondas a enormes rectenas, que la convertirían en energía eléctrica en la red eléctrica . ^[176] En experimentos históricos de 1975 como director técnico de un programa JPL/Raytheon, Brown demostró la transmisión de largo alcance al transmitir 475 W de potencia de microondas a una rectena a una milla de distancia, con una eficiencia de conversión de microondas a CC del 54%. ^[177] 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 través de 1,5 km con microondas de 2,38 GHz desde una antena parabólica de 26 m a una matriz de rectenas de 7,3 x 3,5 m. La eficiencia de conversión de RF incidente a CC de la rectena fue del 80%. ^[178] En 1983, Japón lanzó el Experimento de Interacción No Lineal de Ionosfera de Microondas (MINIX), un experimento con cohetes para probar la transmisión de microondas de alta potencia a través de la ionosfera. ^{[ cita requerida ]}

En los últimos años, un foco de investigación ha sido el desarrollo de aviones teledirigidos propulsados ​​por radio, que comenzó en 1959 con el proyecto RAMP (Raytheon Airborne Microwave Platform) del Departamento de Defensa ^[55] , que patrocinó la investigación de Brown. En 1987, el Centro de Investigación de Comunicaciones de Canadá desarrolló un pequeño prototipo de avión llamado Stationary High Altitude Relay Platform (SHARP) para retransmitir datos de telecomunicaciones entre puntos de la Tierra de forma similar a un satélite de comunicaciones . Propulsado por una rectenna, podía volar a 13 millas (21 km) de altitud y mantenerse en el aire durante meses. En 1992, un equipo de la Universidad de Kioto construyó una nave más avanzada llamada MILAX (Microwave Lifted Airplane eXperiment).

En 2003, la NASA hizo volar el primer avión propulsado por láser. El motor del pequeño modelo de avión funcionaba con electricidad generada por fotocélulas a partir de un haz de luz infrarroja emitido por un láser situado en tierra, mientras que un sistema de control mantenía el láser apuntando al avión.

Véase también

• portal de energía
• Portal de física

• Desafío de potencia de haz
• Compatibilidad electromagnética  : concepto de ingeniería eléctrica
• Radiación electromagnética y salud  – Aspectos de salud pública
• Ecuación de transmisión de Friis  : fórmula para el rendimiento de antenas en ingeniería de telecomunicaciones
• La maldición de las antenas adelgazadas  : teorema de la teoría electromagnética de las antenasPages displaying short descriptions of redirect targets

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Lectura adicional

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Enlaces externos

• Cómo funciona la energía inalámbrica en HowStuffWorks
• Transmisión de potencia por microondas
• Plataforma de retransmisión estacionaria de gran altitud (SHARP)
• MIT WiTricity de Marin Soljačić