تبلیغات
ENGINEERING - انتقال بی سیم انرژی

ENGINEERING

I come to this world,of necessity and lived amazement and will go reluctantly

 

انتقال بی سیم انرژی

 

نوع مطلب :مقالات مهندسی برق ،

نوشته شده توسط:مهدی حسن پور

 ziro359
انتقال انرژی بی سیم یا انتقال قدرت بی سیم فرآیندی است که در هر سیستمی که انتقال انرژی الکتریکی از منبع انرژی الکتریکی به مصرف کننده بدون اتصالات سیمی یعنی بی سیم صورت می گیرد، گفته می شود. انتقال بی سیم در مواردی استفاده می شود که انتقال انرژی به طور لحظه ای یا پیوسته مورد احتیاج است اما اتصال از طریق سیم خطرناک، بدجور و یا غیر ممکن است.

انتقال انرژی الکتریکی بی سیم با انتقال بی سیم اطلاعات متفاوت است، مانند ارتباط رادیویی، که نسبت سیگنال به نویز (SNR) یا درصد انرژی که دریافت می شود، به اندازه ای کم است که فقط سیگنال را پوشش دهد.

رایج ترین شکل انتقال برق بی سیم با استفاده از القا که منتج شده از القای الکترودینامیک است صورت می گیرد. دیگر تکنولوژی های روز برای انتقال بی سیم برمبنای امواج مایکروویو و لیزرها انجام می شوند.



میدان نزدیک (Near field)

میدان نزدیک یک روش انتقال بی سیم در مسافت کم در حدود چند برابر قطر تجهیزات که تا حدود ربع طول موج بکار رفته زیاد می شود، است. خود انرژی میدان نزدیک غیر پرتوزاست اما بعضی تلفات پرتوزایی رخ می دهد، علاوه بر آن معمولاً تلفات مقاومتی هم وجود دارد. انتقال میدان نزدیک معمولاً مغناطیسی (القایی) است، اما انتقال انرژی ممکن است به صورت الکتریکی (خازنی) صورت گیرد.



القا

عملکرد یک تراسفورماتور الکتریکی ساده ترین نوع از انتقال انرژی بی سیم است. مدارهای اولیه و ثانویه تراسفورماتور به طور مستقیم وصل نیستند. انتقال انرژی توسط تزویج الکترومغناطیس که به عنوان فرایند القای متقابل شناخته می شود، صورت می گیرد. (یک قابلیت اضافه شده، افزایش یا کاهش ولتاژ ثانویه است). شارژر باتری گوشی همراه یا تراسفوماتورهای در طول خیابان نمونه هایی از چگونگی استفاده از این اصول است. غذاپزهای القایی و مسواک دندان برقی با این تکنیک فراهم شده اند.

ضعف اصلی روش القایی، برد کوتاه آن است. گیرنده باید خیلی به فرستنده یا واحد القایی نزدیک باشد تا تزویج الکترومغناطیسی صورت گیرد.



القای الکترودینامیک




اثر القای الکترودینامیک یا جفتگیری القایی تشدید دار کلید حل مشکل اصلی جفتگیری القایی غیر-مشدد برای انتقال انرژی بی سیم، مخصوصاً، وابستگی بازده آن به مسافت انتقال است. اصول کار القای الکترومغناطیس به این صورت است که سیم پیچ اولیه یک میدان مغناطیسی تولید می کند و این سیم پیچ ثانویه را القا می کند و باعث بوجود آمدن جریان القایی در سیم پیچ ثانویه می شود. کوپلینگ (تزویج یا جفتگیری یا پیوست) باید بدون دخالت چیز دیگر برای دستیابی به بازده بالاتر صورت گیرد. هرچه فاصله سیم پیچ اولیه از سیم پیچ ثانویه بیشتر شود، تلفات میدان مغناطیسی بیشتر می شود. حتی در طول ساده ترین روش القایی برد کوتاه که بازده آن پایین است، بیشتر انرژی تلف می شود.

به کاربردن تشدید تا حدی موقعیت را بهبود می بخشد. زمانی که تزویج تشدید دار استفاده می شود، فرستنده و گیرنده با یک فرکانس دستی تنظیم میشوند و جریان از یک موج سینوسی به شکل موج غیر سینوسی گذرا تغییر پیدا می کند. انتقال پالس در طول چندین سیکل اتفاق می افتد. در این روش انرژی قابل توجهی به میزان چندین برابر اندازه فرستنده، انتقال پیدا می کند. برخلاف سیم پیچ های چند لایه تراسفورماتور های غیر-مشدد،مانند سیم پیچ های فرستنده و گیرنده، معمولاً سلف های تک لایه یا سیم پیچ های تخت سری شده با خازن و ترکیبی از آن ها، به عناصر گیرنده این امکان را میدهد که فرکانس انتقال را تنظیم کند و تلفات کاهش یابد.

استفاده رایج ازاین فناوری فراهم آمدن کارتهای هوشمند بدون تماس ،و پدید آمدن سیستم های قدرت و تغذیه لپ تاپ ها و موبایل ها است.

القای الکترواستاتیک

اثر القای الکترواستاتیکی یا تزویج خازنی یک گرادیانتی از میدان الکتریکی یا ظرفیت الکتریکی دیفرانسیلی بین دو الکترود، که انتقال انرژی بی سیم مستلزم جریان متناوب با فرکانس بالا بین دو صفحه یا گره دارای اختلاف پتانسیل می باشد، است.

نیروهای الکترواستاتیک در طول رسانا برای تغییر شار مغناطیسی که می تواند انرژی را به دستگاه گیرنده منتقل کند، واقع شده اند. (مانند حباب های لامپ بی سیم تسلا). اثر تسلا یک کاربردی از جابجایی الکتریکی است، به معنی، عبور انرژی الکتریکی از میان فضا و جسم، و غیره و به علاوه گسترش پتانسیل در طول هادی است.

تسلا اظهار داشته است:

به جای وابستگی به القای الکترودینامیکی برای روشن سازی لامپ در یک فاصله، ایده روشن ساختن یک تالار یا اتاق شکل می گیرد، با شرایطی که وسیله روشن سازی هرجایی بتواند حرکت کند و قرار بگیرد، و روشن شود، و مهم نباشد که کجا قرارگیرد و بدون اینکه به طور الکتریکی به جایی وصل باشد، من توانسته ام چنین شرایطی را با ایجاد یک میدان الکترواستاتیکی متناوب سریع و قدرتمند به وجود آورم. برای این منظور، من یک صفحه فلزی را از سقف بوسیله کابل های عایق معلق کردم و آن را به یک پایه سیم پیچ القایی وصل کردم، و پایه دیگر را به زمین. به صورت دیگر من دو صفحه را معلق کردم و هر صفحه را به یک پایه سیم پیچ وصل کردم، و اندازه آن ها را به دقت معین کردم. یک لوله الکترونی با دست می تواند به هرجایی بین دو صفحه برده شود، حتی با فاصله زیاد بین آن ها، و همیشه روشن باقی بماند.

و

در خیلی موارد که مقدار جزئی انرژی مورد درخواست است، تراز بالای پایه ها، و به ویژه ترمینال گیرنده خیلی مهم نیست، از آنجایی که، مخصوصاً فرکانس جریان خیلی بالاست، مقدار قابل توجهی از انرژی توسط القای الکترواستاتیک در آن ترمینال از لایه های هوایی بالاتر جمع می شود، که هدایت الکتریکی توسط ترمینال فعال مبدل صورت می گیرد.

میدان دور


با روش های میدان دور می توان به شعاع های بیشتر دست پیدا کرد، اغلب چندین کیلومتر وسعت، خیلی بزرگتر از شعاع وسیله. با وجود امواج رادیویی و تجهیزات نوری اصلی ترین دلیل برای وسعت بیشتر در حقیقت این است که می توان تابش های الکترومغناطیسی میدان دور را طوری بوجود آورد که وسعت گیرندگی را شکل دهد، (با استفاده از آنتن های دایرکتیویتی با شدت بالا یا پرتوهای لیزری موازی) به همین سبب انرژی منتشرشده به ناحیه گسترده تری تحویل داده می شود. حداکثر دایرکتیویتی آنتن ها در عمل با پراش محدود می شود.

توان، اندازه، مسافت، و بازده پرتوها

اندازه اجزا باید براساس فاصله بین فرستنده و گیرنده، طول موج و قانون رایلی یا محدودیت پراش، با به کار گیری طراحی آنتن فرکانس رادیویی استاندارد تعیین شود، که در مورد لیزرها هم صدق می کند. علاوه بر قانون رایلی، محدودیت پراش هوایی که برای تعیین اندازه دقیق نقاط در فواصل قراردادی از شکاف مکرراً استفاده میشود.

قانون رایلی بیان می کند که امواج رادیویی، ریزموج ها، و پرتوهای لیزر در طول مسیر پراکنده ، ضعیف و پخش می شوند، بزرگی آنتن های فرستنده و پهنای لیزر با طول موج تابش سنجیده می شوند. ضعیف و قوی بودن پرتو تابعی از مسافت است. از ضعف آنتن های کوچک هم ، تلفات بیش از حد در لبه ها است، به هر حال، پهنای لیزر قاعدتاً با اندازه آنتن بی ارتباط است. اصولاً پهنای اشعه بزرگتر از طول موجی است که پرتو مولتی مد را ایجاد می کند و اغلب از کولیماتور(موازی ساز) قبل از انتشار پرتو درون فیبر یا فضا استفاده می شود.

سرانجام، پهنای پرتو به طور علمی با پراش که به سبب اندازه دیش که در ارتباط با طول موج پرتو الکترومغناطیس است، تعیین می شود. پرتوزایی ریزموج می تواند کارآمد تر از لیزر ها باشد. ترازهای انرژی با ترکیبی از پارامترهای بالا، و اثر دادن آن ها در تقویت و تلفات آنتن ها و شفافیت و پراش پرتوها محاسبه می شوند. این فرایند با عنوان link budget شناخته می شود.



رادیو و ریزموج

ابتدایی ترین کارها در بخش انتقال بی سیم از طریق امواج رادیویی (امواج الکترومغناطیسی) توسط نیکولا تسلا انجام شد اما او نتایج کارهای خود را به سرعت منتشر نکرد. بعد از آن، gugliemo Marconi از یک مقاله انتقال رادیویی تسلا استفاده کرد و آن را از طرف خود ارائه داد. با پیگیری های نیکولا تسلا و بعد از چندین سال دادگاه عالی ایالت متحده، به خاطر انتقال رادیویی جایزه ای منحصراً به نیکولا تسلا اعطا کرد.

یک محقق ژاپنی به نام Hidetsugu Yagi روی انتقال انرژی بی سیم با استفاده از یک آنتن مستقیم که خود او طراحش بود، کار می کرد. در فبریه 1926، yagi و Uda اولین یافته های خود در مورد آنتن تنظیم شونده با بهره بالا که به عنوان Yagi antenna شناخته میشود، منتشر کردند. اگرچه این آنتن های باریک برای انتقال انرژی کارآمد نبودند، اما به طور گسترده برای ارتباطات بی سیم و برنامه های رادیویی به دلیل ویژگی ها و عملکرد عالی، مورد استفاده قرار گرفتند.

انتقال انرژی از طریق رادیو می تواند جهت دارتر، انتشار انرژی در فواصل دورتر، با طول موج کوتاه تر امواج الکترومغناطیسی، و به طور عام در ناحیه ریز موج ها باشد. یک rectenna باید برای تبدیل انرژی ریز موج ها به برق استفاده شود. بازده تبدیل rectenna 95 درصد برآورده شده است. انتشار انرژی که از ریز موج ها بهره می گیرد، برای انتقال انرژی از ماهواره های انرژی خورشیدی به زمین و انتقال انرژی به فضا پیما پیشنهاد شده است.

انتشار انرژی توسط ریز موج ها برای اغلب تجهیزات فضایی که به خاطر محدودیت پراش آنتن، بسیار بزرگ هستند، مشکلاتی به همراه دارد. برای مثال در مطالعه ناسا NASA در 1978 بر روی ماهواره های انرژی خورشیدی برای انتشار ریزموج ها در 2.45 گیگاهرتز، به یک آنتن فرستنده با طول 1 کیلومتر، و یک آنتن گیرنده 10 کیلومتری احتیاج بود. این اندازه ها با استفاده طول موج های کوتاه تر می توانستند کاهش یابند، اگرچه طول موج های کوتاه، مشکلاتی مانند جذب جوی و انسداد پرتوها توسط قطرات باران همراه دارد.

برای تجهیزات زمینی یک ناحیه وسیع با عرض 10 کیلومتر گیرندگی، به هنگام عملیات با شدت انرژی کم برای امنیت انسان در برابر پرتوهای الکترومغناطیسی پیشنهاد می شود. چگالی انرژی امن برای انسان 1 mW/cm2 توزیع شده در ناحیه ای با عرض 10 کیلومتر که برابر با 750 مگاوات است. این سطح انرژی در بسیاری از نیروگاه های توان الکتریکی مدرن استفاده میشود.



توان بالا

انتقال انرژی بی سیم با استفاده از ریزموج ها به خوبی توسعه یافت و آزمایشات در Goldstone در کالیفرنیا در 1975 به ده ها کیلووات رسید. با این روش ها دستیابی به فاصله های در حدود کیلومتر میسر شد.

لیزر



در مورد پرتوهای الکترومغناطیس که نزدیک به ناحیه مرئی (10 میکرومتر تا 10 نانومتر )، انرژی می تواند با تبدیل الکتریسته به یک دسته پرتو لیزر و سپس تابانیدن آن به یک گیرنده سلول خورشیدی انتقال یابد. این فرایند عموماً به عنوان "powerbeaming" شناخته می شود به این خاطر که انرژی برای یک گیرنده که می تواند آن را به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل کند، منتشر می شود.

چندین مزیت منحصربه فرد انتقال انرژی برپایه لیزر بر ضعف های آن سنگین تر است:

1. انتشار جبهه امواج تکفام منطبق به سطح مقطع پرتو اجازه می دهد، که انرژی در دامنه ای وسیع انتقال یابد.

2. اندازه فشرده دیود های نیمه هادی حالت جامد فتوولتائیک-لیزر این اجازه را می دهد که به سادگی مدارمجتمع با اندازه کوچک در محصولات قرارگیرد.

3. قادر است تا بدون تداخل با فرکانس رادیویی تجیهزات ارتباطی حاضر مانند وای-فای و گوشی های همراه عمل کند.

4. کنترل دستیابی انرژی بی سیم به جای انتقال همه سویی که مقصد معینی قبل از انتقال انرژی ندارد.

این ها به مفهوم انتقال انرژی بی سیم برمبنای لیزر برای کامل شدن با روش های انتقال انرژی قراردادی، اجازه می دهد.



ضعف ها و اشکالات آن

1. تبدیل به نور، مثل لیزر، نسبتاً ناکارآمد است. (اگرچه لیزرهای کوانتومی بهبود یافته اند.)

2. تبدیل دوباره به برق هم بازده ندارد، به این خاطر که بازده های سلول های فتوولتائیک در حدود 40 تا 50 درصد است. (البته این را باید متذکر شد که بازده نور تکفام نسبتاً از نور آفتاب که به پنل های خورشیدی می تابد، بیشتر است.)

3. تلفات ایجاد شده توسط جذب جوی.

4. به خاطر پرتو ریزموج ها ، این روش یک مسیرمستقیم به سمت هدف احتیاج دارد.

فناوری انتشار انرژی از طریق لیزر، بیشتر در سلاح های نظامی و تجهیزات فضایی به کار گرفته می شود و هم اکنون برای تجارت و مصرف کننده های دستگاه های الکتریکی کم توان درحال توسعه می باشد. سیستم انتقال انرژی بی سیم بر پایه ی لیزر برای تامین امنیت مصرف کنندگان از لیزر باید طبق استاندارد IEC 60825 باشد.
 



How do you grow?
دوشنبه 16 مرداد 1396 07:36 ب.ظ
Admiring the persistence you put into your blog and in depth information you provide.

It's nice to come across a blog every once in a while that isn't the same out of
date rehashed material. Excellent read! I've saved your site and I'm adding your RSS
feeds to my Google account.
Do you get taller when you stretch?
شنبه 14 مرداد 1396 11:42 ق.ظ
Its such as you read my thoughts! You appear to understand a lot approximately this, like you
wrote the e book in it or something. I feel that
you could do with some % to force the message house a bit, however instead of that, that is fantastic blog.
A great read. I'll definitely be back.
How do you get taller?
دوشنبه 9 مرداد 1396 12:40 ب.ظ
Hi, i think that i saw you visited my website thus i came to “return the favor”.I am
trying to find things to enhance my web site!I
suppose its ok to use some of your ideas!!
manicure
چهارشنبه 23 فروردین 1396 05:30 ب.ظ
Good way of telling, and fastidious paragraph to get data
about my presentation subject matter, which i am going to
convey in academy.
BHW
سه شنبه 22 فروردین 1396 06:50 ب.ظ
Way cool! Some very valid points! I appreciate you writing this post and also the rest of the website is very good.
manicure
چهارشنبه 16 فروردین 1396 08:49 ق.ظ
you're really a just right webmaster. The site loading pace is amazing.
It seems that you're doing any unique trick.
Also, The contents are masterpiece. you've performed a fantastic process on this matter!
پسر شجاع
پنجشنبه 5 خرداد 1390 03:10 ب.ظ
سلام
لطفا دیکشنری رشته برق رو هم قرار بدید
ممنون
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر


پروژه شنبه 24 دی 1390
مسیریاب جمعه 20 آبان 1390
طرز ساخت فیبر مدار چاپی به روش اسید کاری پنجشنبه 30 تیر 1390
ربات مسیر یاب پنجشنبه 2 تیر 1390
انتقال بی سیم انرژی سه شنبه 27 اردیبهشت 1390
نیروگاه های بخاری چهارشنبه 14 اردیبهشت 1390
استفاده از نانوالیاف پلیمری برای تولید انرژی سه شنبه 13 اردیبهشت 1390
ایران فناوری استفاده از سلول‌های خورشیدی برای تأمین برق منازل را دارد سه شنبه 13 اردیبهشت 1390
صفحه نمایش‌های OLED جدید براساس گرافن سه شنبه 13 اردیبهشت 1390
نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی یزد جمعه 9 اردیبهشت 1390
لامپ های LED جمعه 9 اردیبهشت 1390
فنرهای نانولوله ای با قدرت ذخیره انرژی بالا ابداع شد جمعه 9 اردیبهشت 1390
باتری های هسته ای ریز برای ابزارهای الكتریكی ساخته شد جمعه 9 اردیبهشت 1390
زباله های ناپل برق تولید می كند جمعه 9 اردیبهشت 1390
شهادت آب پنجشنبه 8 اردیبهشت 1390
مقره چهارشنبه 7 اردیبهشت 1390
تاریخچه ساخت ترانسفور ماتور قدرت خشك چهارشنبه 7 اردیبهشت 1390
ژنراتور چهارشنبه 7 اردیبهشت 1390
تصاویر شگفت‌انگیز ناسا از سطح مریخ سه شنبه 6 اردیبهشت 1390
مختصری از نانو دوشنبه 5 اردیبهشت 1390
لیزر دوشنبه 5 اردیبهشت 1390
آیین‌نامه ایمنی‌تاسیسات‌لكتریكی‌بااتصال‌به‌ زمین‌ دوشنبه 5 اردیبهشت 1390
تابلوی روان یکشنبه 4 اردیبهشت 1390
مراسم آتش زدن خیمه در ظهر عاشورا در حرم سلطان سید جلال الدین اشرف جمعه 2 اردیبهشت 1390
زندگی نامه و بیوگرافی دكتر محمد معین جمعه 2 اردیبهشت 1390
گردش گری آستانه اشرفیه جمعه 2 اردیبهشت 1390
با آستانه اشرفیه بیشتر آشنا بشیم جمعه 2 اردیبهشت 1390
موتور و درایور پنجشنبه 1 اردیبهشت 1390
زبان تخصصی---بخش اول شنبه 20 فروردین 1390
ترانسفورماتور شنبه 20 فروردین 1390
لیست آخرین پستها