Технология беспроводной передачи электроэнергии известна еще со времен опытов Николы Тесла, но в широкое использование начинает входить только сейчас. В последнее время в продаже появляется все больше электронных устройств с беспроводной зарядкой — телефоны, ноутбуки, пылесосы-роботы и т.п.
Не так давно британская компания HaloIPT вывела беспроводную зарядку электромобилей (сокращенно БЗЭ) на мировой рынок. Эта технология позволяет любому виду электротранспорта (электромобилю, электроскутеру, электробусу и т.д.) заряжаться моментально, без использования проводов. Цель данной статьи – как можно более подробно представить данную технологию. Вы узнаете, как работает, и на что в будущем может повлиять беспроводная зарядка электротранспорта. Основной принцип беспроводной передачи энергии – электромагнитная индукция. Беспроводная зарядка основана на индукционной передаче энергии или сокращенно – ИПЭ.
Основной принцип передачи энергии с помощью индуктивно связанных катушек показан на рис 1. Система состоит из катушки передатчика L1 и катушки приемника L2. Обе катушки образуют систему магнитно связанных индукторов. Переменный ток в катушке передатчике создает магнитное поле, которое индуцирует напряжение в приемной катушке. Это напряжение на второй катушке может быть использовано для зарядки батареи. КПД передачи энергии зависит от связи между индукторами и их качества. Связь определяется расстоянием между индукторами (z) и их размерами (D2/D).
Система беспроводной зарядки электротранспорта состоит из 3 основных компонентов:
- Высокочастотный генератор (источник питания) Генератор преобразует напряжение сети переменного тока 240 В частотой 50 – 60 Гц в высокочастотный ток частотой свыше 20 кГц.
- Магнитная система связи Состоит из двух «подушек» — передатчика (встроенного в дорожное покрытие) и приемника (находящегося в днище транспортного средства). «Подушки» оснащены специальными сенсорами, так что передатчик включается только когда приемник над ним. КПД передачи энергии около 90%. Конструкция «подушек» обеспечивает защиту от магнитных полей, предотвращая электромагнитные помехи в пределах транспортного средства. Уровень электромагнитного воздействия соответствует международным нормам. Система безвредна для людей и животных. Связь между «подушками» может осуществляться на расстоянии до 40 см. Размеры передатчика 80 на 40 см. Для нормальной связи не требуется выставлять транспортное средство строго над передатчиком. Это позволяет заряжать как неподвижный, так и движущийся электромобиль. Система работает при любой температуре (холодной зимой или жарким летом), через асфальт, бетон, снег, лед или даже слой воды. Энергия может передаваться и в обратном направлении, т.е. может быть возвращена обратно в электросеть.
- Адаптер с регулятором Адаптер преобразует индуцированный высокочастотный ток из приемника в постоянный. Далее он заряжает аккумуляторы электротранспортного средства. Без регулятора напряжение будет изменяться в больших пределах по мере уменьшения или увеличения расстояния между «подушками».
Система может работать с любыми аккумуляторами. Она позволяет управлять их температурой и степенью зарядки для максимального увеличения срока службы и КПД аккумуляторов. Срок службы оказывает существенное влияние на выгоду и удобство от такой системы.
Преимущества системы:
1. Производительность
Без проводов электромобиль и любой другой вид электротранспорта сохраняет свои характеристики и надежность. Беспроводная зарядка ничем не уступает проводным аналогам. Сегодня существуют рабочие прототипы БЗЭ, показывающие безупречные результаты. Уже более десятка лет в городах Турин и Генуя (Италия) 10 электробусов, обслуживающие туристические маршруты, заряжаются с помощью беспроводной системы разработанной в Германии. В ходе эксплуатации система практически не требует обслуживания. Электробусы заряжают на стоянке или на специально оборудованных остановках, пока пассажиры входят и выходят. На работоспособность и производительность не влияют внешние факторы (пыль, вода, снег, лед, химикаты) и слой асфальта/бетона между приемником и передатчиком.
2. Безопасность
С индукционной передачей энергии нет опасности поражения током из-за неизолированных контактов (проводов), нет отсоединяющихся частей и электромагнитного излучения. Основной проблемой препятствующей использованию индукционной передачи энергии является ошибочное общественное мнение о том, что не передавшаяся энергия приносит большой вред всему живому. Согласно испытаниям компании HaloIPT их система является безвредной для людей и животных. Двойная изоляция и отсутствие коротких замыканий – система беспроводной зарядки электротранспорта на основе технологии ИПЭ создает действительно безопасное будущее.
3. Долговечность
Городская обстановка вроде столбов, знаков и т.п. может быть предметом для плохого обращения. Подушки «передатчики» безопасно скрыты в месте, защищенном от внешнего воздействия и повреждений. Долговечность системы беспроводной зарядки вытекает из ее простоты — в ней нет отсоединяемых частей. Износ и повреждения, приводящие со временем к неисправности, не принимаются в расчет. Механизмы не могут быть просто так сломаны, что снижает траты для тех, кто обслуживает систему.
4. Удобство
С системой беспроводной зарядки ваш электротранспорт становится частью энергосети, которая в свою очередь передает данные.
Это позволяет, не покидая элетротраснпортного средства, узнавать:
• ситуацию на дороге перед выездом
• о свободных местах для парковки еще до приезда на нужное место
• о ценах на электроэнергию, которой заряжается транспорт
И многое другое. В будущем система беспроводной зарядки электротранспорта, так же как и беспроводные сети передачи данных, будет применяться повсюду, где только возможно. Когда это будущее наступит — вы будете подзаряжать ваш электромобиль почти везде, где останавливаетесь, самостоятельно устанавливая уровень необходимой подзарядки. Оплата будет осуществляться по тарифу, так же как тарифицируются звонки по мобильному телефону. Не придется думать о том, как и где заряжать свой электромобиль. Вы никогда не забудете вставить штепсель в розетку, потому что этого не нужно.
5. Эстетичность
Наши культурно важные города и мегаполисы получат огромную пользу от беспроводной передачи энергии и особенно от системы БЗЭ, от которой не изменится их внешний вид. Подушки-передатчики могут быть аккуратно скрыты где угодно. С развитием беспроводной передачи энергии появится возможность отказаться от надземных электролиний. Это снизит уличный хаос и увеличит пространство для жизни и движения людей.
Как беспроводная зарядка поможет электротранспорту?
Одной из главных проблем препятствующей широкому использованию электромобилей является ограниченный запас хода такого вида транспорта. В будущем решением этой проблемы может стать именно беспроводная зарядка, позволяющая любому транспортному средству на электротяге заряжаться в движении. Для этого существует особая технология разработанная в США компанией Solar Roads – «солнечная зарядная дорога». Она накапливает в себе солнечную энергию с помощью встроенных солнечных батарей и заряжает (как подушка передатчик) движущейся по ней электротранспорт.
«Солнечная» дорога состоит из трех слоев: Первый, верхний слой – полупрозрачное сверхпрочное стекло, способное выдерживать большие нагрузки, и пропускающее солнечный свет. Второй слой – фотоэлементы вместе с отопительным элементом для предотвращения их замерзания при низких температурах. Так же в этом слое находятся светодиоды, отображающие дорожную разметку. Третий, нижний слой – электронные устройства контроля, следящие за движением и распределением энергии, а так же управляющие разметкой и отопительными элементами.
Технология удостоена внимания Государственного Департамента США и уже сейчас существует рабочий прототип. В нем был применен поликарбонат вместо сверхпрочного стекла в верхнем слое, это позволило значительно снизить стоимость такой дороги. В будущем разработчики планируют создать полноценную сеть «солнечных дорог».
В будущем авто производители (например Toyota, Nissan и многие другие) планируют оснащать выпускаемые электромобили «подушкой» приемником, и в комплекте поставлять стационарную «подушку» передатчик, которую владелец электромобиля может установить в своем гараже.
Заключение
Факты о системе беспроводной зарядки электротранспорта:
- Зарядка производится автоматически. Нет необходимости думать, как и где заряжать ваш электро-транспорт.
- Электротранспорт, оснащенный системой, является частью сети передачи данных, позволяющей информировать водителя о ситуации на дороге и многом другом в режиме реального времени.
- Использование системы позволит увеличить запас хода электротранспорта. Зарядка происходит в движении, от передатчиков встроенных в дорожное покрытие. Проезжая над передатчиком моментально пополняются запасы энергии транспортного средства.
- Развитие и внедрение системы будет способствовать улучшению экологии за счет увеличения числа транспорта на электротяге.
- При беспроводной зарядке вы платите согласно установленному за электроэнергию тарифу.
- Внедрение системы не повлияет на внешний вид городов.
- Система практически не нуждается в обслуживании в ходе эксплуатации.
- Очень перспективна для общественного электротранспорта.
- Безвредна для людей и животных.
- Индукционная передача энергии в системе используется с максимальной эффективностью (КПД около 90%) и оказывает минимальную нагрузку на существующие электросети.
В заключение необходимо отметить, что развитие индукционной передачи энергии приведет к большей социализации электроэнергии. Люди получат не только легкий доступ к ее получению, но и смогут ее возвращать. За беспроводной передачей энергии будущее.
Литература
1. HaloIPT.com – 28.04.2011
2. Wirelesspowerconsortium.com: сайт международного консорциума производителей устройств беспроводной передачи энергии – 20.03.2011
3. www.theengineer.co.uk: электронный журнал «The Engineer» — 29.11.2011
Чернявская Л.Ф., Лобанов Р.В.
Механики XXI веку. 2011. № 10. С. 96-99.
