انتقال نیروی برق بدون استفاده از سیم، از رویاهای دیرینه نویسندگان علمی‌تخیلی به شمار می‌رود. اما با پیشرفت‌های مهندسی، ابزارهای همراه و خودروهای الکتریکی، این رویا به زودی به واقعیت می‌پیوندد.

کابل‌های برق همواره گرد و غبار را به خود جلب می‌کنند. کامپیوترها، تلویزیون‌ها و پخش کننده‌های موسیقی هر ساله باریک‌تر می‌شوند، ولی سیم‌های جمع شده در گوشه هر اتاق، یک مانع زشت بر سر راه مینیمالیسم واقعی است. آیا راهی برای حل این مشکل وجود دارد؟

بعد از آن دردسر شارژ تلفن‌ها، ام‌پی‌تری پلیرها و پی‌دی‌ای‌ها قرار دارد. معمولا خیلی دردسر ساز نیست، ولی خیلی پیش می‌آید که شارژ باطری را فراموش کنید و خانه را با یک باطری خالی ترک کنید. آیا زندگی ساده‌تر نمی‌شد اگر هنگامی که وارد یک ساختمان می‌شدید، نیروی برق به طور نامرئی به دستگاه شما تابیده می‌شد؟ ارتباطات بی‌سیم در همه جا وجود دارد، پس چرا ما نمی‌توانیم برای همیشه دستگاه‌های الکترونیک خود را هم از کابل‌های برق جدا کنیم. نیوساینتیست در مقاله‌ای به پاسخی برای این پرسش پرداخته است.

تا کنون بهره‌وری پایین انتقال توان و مسائل ایمنی، تلاش‌ها برای انتقال بی‌سیم نیروی برق را بی‌اثر کرده بود، ولی چند شرکت نوآور جدید التاسیس و چند نام بزرگ، مانند سونی و اینتل، یک بار دیگر سعی دارند این امر را ممکن سازند. چند ساله اخیر شاهد ارائه سمینارهایی بوده است که وعده تامین نیروی الکتریکی مورد نیاز برای موبایل‌ها، لپتاپ‌ها و تلویزیون‌ها به صورت بی‌سیم می‌دهند. آیا ما به زودی شاهد وداع با سیم، یک بار و برای همیشه خواهیم بود؟

آرزویی به قدمت تولید برق

ایده انتقال بی‌سیم نیرو تقریبا به اندازه خود تولید برق قدمت دارد. در آغاز قرن بیستم، نیکلا تسلا پیشنهاد استفاده از کویل‌های بزرگ برای انتقال برق از طریق لایه تروپوسفر اتمسفر به خانه‌ها را داد. او حتی شروع به ساخت یک برج به نام واردن‌کلیف در لانگ‌آیلند نیویورک کرد، که یک برج مخابراتی خیلی بزرگ بود که می‌توانست با استفاده از آن ایده خود برای انتقال بی‌سیم نیروی برق را بیازماید. ولی داستان جایی قطع شد که حامیان مالی وی، هنگامی که دریافتند که هیچ راه عملی وجود ندارد که بشود مطمئن شد که مردم پول برقی را که از ان استفاده می‌کنند می‌پردازند، و در عوض شبکه برق سیمی گسترش یافت.

انتقال بی‌سیم دوباره در دهه ۱۹۶۰ بروز یافت، زمانی که یک هلیکوپتر مینیاتوری به نمایش درآمد که انرژی خود را از امواج مایکروویوی دریافت می‌کرد که از زمین به آن تابیده می‌شد. برخی ادعا کردند که یک روز ما قادر خواهیم بود که نیروی مورد نیاز فضاپیماهای خود را با تاباندن پرتوهای لیزر به آنها تامین کنیم. و به همین ترتیب، کارهای نظری زیادی بر روی احتمال تاباندن نیرو به زمین از فضاپیماهایی که انرژی خورشیدی را جذب می‌کنند، انجام شد.

با این وجود، انتقال نیروی بی‌سیم زمین به زمین در فاصله طولانی، نیاز به زیرساخت‌های گران قیمتی دارد، و با نگرانی‌ها در مورد امنیت انتقال نیرو از طریق امواج مایکروویو پرتوان، خیلی از این ایده استقبال نشد.

دردسری به نام کابل برق

به رغم اینکه ما در آینده نزدیک شاهد یک شبکه نیروی بی‌سیم نخواهیم بود، ایده تاباندن انرژی در یک مقیاس کوچک‌تر به سرعت در حال گسترش است. این تا حد زیادی به این دلیل است که با وجود ارتباطات بی‌سیم، مانند وای‌فای و بلوتوث، و مدارهای الکتریکی که هر روز کوچک‌تر می‌شوند، اکنون کابل‌های برق تنها مانع بر سر راه این هستند که کاملا قابل حمل شوند.

با این محرک جدید، مهندسین و شرکت‌های نواور به استقبال این چالش رفتند و به رغم اینکه تاباندن انرژی هنوز در مرحله طفولیت قرار دارد، به نظر می‌رسد که سه حالت برای آینده آن متصور باشد. استفاده از امواج رادیویی برای انتقال الکتریسیته شاید مشخص‌ترین راه حل باشد، چرا که در اصل از همان نوع از فرستنده‌ای و گیرنده‌ای استفاده می‌کنید که در مخابرات وای‌فای از آن استفاده می‌شود. شرکت پاورکست که در پیتزبورگ پنسیلوانیا مستقر است، به تازگی از این فناوری برای انتقال نیرویی در حد میکرووات و یا میلی‌وات در فواصل بیش از ۱۵ متر برای حسگرهای صنعتی استفاده کرده است. آنها اعتقاد دارند که می‌توان یک روز از رویکرد مشابهی برای شارژ ابزارهای کوچکی مانند کنترل از راه دور، ساعت‌های زنگ‌دار و یا حتی موبایل استفاده کرد.

یک احتمال دوم برای ابزارهای پرمصرف‌تر، تاباندن یک پرتو لیزر فروسرخ تنظیم شده به یک سلول فتوولتائیک است که پرتو را به انرژی الکتریکی بازتبدیل می‌کند. این رویکردی است که شرکت PowerBeam واقع در سن‌خوزه کالیفرنیا انتخاب کرده است، ولی تا کنون بازدهی آن تنها بین ۱۵ و ۳۰ درصد بوده است. درست است که می‌توان از این روش برای تامین نیروی دستگاه‌های پرمصرف‌تر استفاده کرد، ولی در عمل تلفات زیادی دارد.

این فناوری برای تامین نیروی لامپ‌های بی‌سیم، بلندگوها و ابزارهای الکترونیک با مصرف برق کمتر از ۱۰ وات به کار رفته است. در طول زمان و با ارتقای فناوری لیزر و سلول‌های فتوولتائیک، شرکت امیدوار است که بازدهی بالاتر از ۵۰ درصد هم امکان پذیر شود. گراهام می‌گوید: «هیچ دلیلی وجود ندارد که ما نتوانیم در نهایت یک لپتاپ را به این ترتیب شارژ کنیم». بر خلاف برخی از فناوری‌های امکان پذیر دیگر، یک لیزر متمرکز انرژی کمی را در فواصل طولانی از دست می‌دهد، و بازدهی خود را از دست نمی‌دهد: «صد متر فاصله طوانی محسوب نمی‌شود».

پرتوهای دردسرساز

دیگران نسبت به عملی بودن این روش برای ابزارهای واقعا قابل حمل خوشبین نیستند، ابزاری که دائما در و بین اتاق‌ها در حرکت هستند. منو ترفرز، رئیس کنسرسیوم نیروی بی‌سیم در هلند می‌گوید: «یک پرتو فروسرخ نمی‌تواند برای شارژ یک گوشی موبایل مناسب باشد، چرا که جای مشخصی ندارد». راه حل پاوربیم قرار دادن یک لامپ کوچک فلوئورسنت در دستگاه گیرنده است تا دوربینی که در فرستنده کار گذاشته شده است، بتواند آن را رهگیری کند و امواج لیزر را به همان سو بفرستد. مشکل دیگر این است که برای هر دستگاهی که می‌خواهید شارژ کنید باید یک پرتو مجزا فرستاده شود، مسئله‌ای که به گفته آریستیدیس کارالیس از ام‌آ‌ی‌تی برای مهندسین دردسرساز خواهد بود، وی در حال حاضر مشغول کار بر روی یک سیستم جایگزین انتقال بی‌سیم نیروی برق است.

سومین احتمال نیز القای مغناطیسی است، که جذاب‌ترین انتخاب برای کاربرد‌های بزرگ محلی است. یک میدان مغناطیسی متناوب که از یک کویل ناشی می‌شودکه می‌تواند در کویل دیگری که در نزدیکی آن باشد، جریان الکتریکی را القا کند، این همان روشی است که خیلی از ابزارها مانند مسواک‌های برقی و حتی برخی از موبایل‌ها باطری‌های خود را شارژ می‌کنند.

این اصل شناخته شده‌ای است که در صورتی که دو شیء در فرکانس مشابهی رزونانس داشته باشند، انرژی مکانیکی منتقل شده، خیلی بیشتر می‌شود، وقتی که یک خواننده اپرا با صدای خود یک لیوان را به لرزش در می‌آورد از همین اصل استفاده می‌کند. کارالیس و همکارانش می‌خواستند تا ببینند که آیا می‌توان به همین ترتیب بازدهی میدان مغناطیسی را در فواصل طولانی‌تر بالا برد یا نه.

گروه از یک کویل القایی متصل به یک خازن استفاده کردند. انرژی در مدار به سرعت بین یک میدان الکتریکی در خازن و یک میدان مغناطیسی در کویل نوسان می‌کند. فرکانس این لرزش توسط توانایی خازن برای ذخیره بار و قابلیت کویل برای تولید یک میدان مغناطیسی کنترل می‌شود. اگر فرکانس در مدار فرستنده انرژی با گیرنده متفاوت باشد، رزونانس اتفاق نمی‌افتذ. نتیجه این خواهد بود که انرژی ارسالی از سوی فرستنده هم فاز با انرژی که در گیرنده وجود دارد نخواهد بود و در نتیجه آن، این دو همدیگر را خنثی می‌کنند. ولی گروه به این نکته توجه داشت که اگر فرستنده و گیرنده رزونانت باشند، میدان‌ها در دو کویل با هم سنکرون خواهند بود، که به این معنی است که تداخل آنها سازنده است و مقدار انرژی منتقل شده افزایش می‌یابد.

آنها نظریه خود را در سال ۲۰۰۷ با موفقیت آزمایش کردند، نتیجه: انتقال ۶۰ وات در فاصله ۲ متر، با بازدهی ۵۰ درصد. گروه از آن زمان و برا پیشبرد این نظریه، یک شرکت تاسیس کرده که WiTricity نام دارد. سال ذشته، شرکت از دو کویل مربعی به عرض ۳۰ سانتیمتر استفاده کرد، یکی در فرستنده و دیگری در گیرنده، تا یک تلویزیون ۵۰ واتی را با بازدهی ۷۰ درصدی، در فاصله نیم متری از منبع نیرو تغذیه کند. کارالیس می‌گوید: «در برخی موارد، افزایش بازدهی در اثر رزونانس می‌تواند بیش از صد هزار بار بیش از حالت بدون رزونانس باشد».

شرکت‌های بزرگ الکترونیکی نیز به سرمایه گذاری روی«انتقال رزونانسی» علاقه نشان داده‌اند. برای مثال،سونی یک تلویزیون بی‌سیم را به نمایش گذاشته و اینتل نیز در حال سرمایه گذاری بر روی این فناوری برای دسته‌ای از ابزارها است. امیلی کوپر، از محققین آزمایشگاه اینتل در سیاتل می‌گوید: «بازدهی انتقال نیرو کاملا مستقل از میزان توان است، در نتیجه می‌توان برای لپتاپ‌ها، دستگاه‌های الکترونیکی برای مصرف‌کنندگان مانند تلویزیون‌ها، و ابزارهای کوچک‌تر قابل حملی مانند موبایل‌ها هم می‌توان از همین روش استفاده کرد». به عبارت دیگر، بازدهی انرژی برای تغذیه یک تلویزیون پلاسمای بزرگ و یک پی‌دی‌ای کوچک با استفاده از رزونانس به یک اندازه خواهد بود.

با چنین ارائه‌های نویدبخشی، به نظر محتمل می‌آید که انتقال نیرو بدون سیم، در آینده نقش مهمی در منازل ما بازی کند. در حال حاضر، یک استاندارد تکنیکی، که Qi نام دارد، برای تکنیک القای مغناطیسی غیر رزونانسی وجود دارد، و صفحات سازگار با آن نیز به زودی در دسترس خواهند بود. برای دیگر روش‌ها هنوز زود است، ولی استانداردهای مشابهی نیز برای آنها ارائه خواهند شد.

مضرات برای انسان

ولی این فناوری با موانعی نیز روبرو خواهد شد. به یک دلیل، شما نگرانی در مورد انتقال پرتوهای نسبتا پرتوان انرژی از اتمسفر را نادیده گرفته‌اید. برای مثال، انتقال لیزری را در نظر بگیرید: کارالیس می‌گوید که «انرژی بالایی که در پرتوهای اریک لیزر متراکم شده می‌تواند صدمات جدی به سلامتی افراد وارد کند». ولی در محصولات پاوربیم این امر خطرناک نخواهد بود. اگر دوربین کوچک روی فرستنده نتواند لامپ کوچک روی گیرنده را ببیند، در عرض چند هزارم ثانیه لیزر را خاموش می‌کند. و جهت افزایش ایمنی هم، اگر گیرنده یک قطعی ناخواسته در دریافت لیزر را حس کند، پیامی از طریق رادیو برای فرستنده ارسال می‌کند.

ولی این ترس وجود دارد که میدان‌های الکترومغناطیسی بافت‌ها را از طریق یک مکانیزم دیگر غیر گرمایی تخریب کنند، مانند نگرانی که در مورد گوشی‌های موبایل وجود دارد. وقتی که هیچ تحقیق گسترده در دسترسی برای آزمودن در معرض قرار گرفتن در طولانی مدت وجود ندارد، آنها مجبور بودند که به تحقیقات آزمایشگاهی اتکا کنند، که آنها هم هیچ تاثیر آشکار یا تکرار پذیری را پیدا نکرده‌اند. و این یعنی این که این قضیه مضر بودن یا نبودن امواج مایکروویو کماکان لاینحل باقی خواهد ماند.

ولی شاید نگرانی بیشتر مربوط به مسائل زیست محیطی باشد. در حالی که زمین هر روز گرم‌تر می‌شود، خیلی از مردم به دنبال راهی برای افزایش بهره‌وری و ذخیره انرژی می‌گردند، تا به این ترتیب انتشار گازهای گلخانه‌ای از نیروگاه‌ها کاهش یابد. برای برخی از افراد، انتقال بی‌سیم نیروی برق با توجه به تلفاتش، به معنی یک گام رو به عقب خواهد بود.

شاید وقتی به تک تک ابزارها نگاه می‌کنیم، میزان اتلاف انرژی زیاد به نظر نرسد، ولی اگر کل خانه از یک سیستم بی‌سیم استفاده کند و این امر در تعداد زیادی از منازل اتفاق بیفتد، داستان دیگری خواهد بود. پرسش این است که چرا باید به جای کاهش تلفات مصرف برق، رو به یک سیستم بی‌سیم انتقال انرژی بیاوریم، فقط به این دلیل که زیباتر خواهد بود؟

نکاتی جالب :

• تکنولوژی برای انتقال برق بی سیم و یا انتقال قدرت بی سیم (WPT) در خط مقدم توسعه الکترونیکی است.
• هدف اصلی این فناوری از بین بردن وابستگی به کابل ها میباشد.
• این فناوری از ۱۸۵۰ بروی زبان ها هست که هنوز هم به صورت فرضیه میباشد .
• اپیلکیشن های این فناوری که باعث رشد آن شدن عبارتند از : مایکروویو، سلول های خورشیدی، لیزر، و تشدید امواج الکترومغناطیسی
• کل این فناوری در امروز بر مفهوم رزونانس میباشد.

تاریخچه و توسعه :

تصویری از برج و آنتن آزمایشگاه تسلا در کلرادو اسپرینگز، جایی که بر اساس برخی روایت‌ها تسلا توانست در آن انتقال بی‌سیم برق را در فواصل نسبتاً دور با بازدهی بالا به انجام رساند.

محققین MIT ( انستیتوی تکنولوژی ماساچوستس) توانستند سیستم  آزمایشی انتقال بیسیم نیروی الکتریسیته به انواع لوازم برقی را با موفقیت به انجام برسانند.

این محققان در اثبات صحت یک تحقیق کتبی که پاییز گذشته تحویل داده شده بود، توانستند یک پرتو الکتریسیته را-مانند یک موج رادیویی- بین دو نقطه ارسال کرده و با این روش یک لامپ ۶۰ واتی را روشن کنند.

این گروه توانستند لامپ ۶۰ واتی را با کمک یک منبع انرژی در فاصله ۲ متری آن و بدون هیچ اتصال فیزیکی میان دو نقطه، روشن کنند. این پروژه به WiTricity – به معنای الکتریسیته بیسیم – شهرت یافته است. این آزمایش دقیقا نمایشگر همان نقطه نظرهایی است که این گروه در پاییز گذشته در تحقیق کتبی خود به آن پرداخته بودند. در حال حاضر این انتقال نیرو، دامنه محدودی دارد.

این محققین در این باره میگویند: “با این حال، برای وسیله ای با انرژیی در حد کامپیوتر دستی، مقدار الکتریسیته لازم و حتی بیشتر از حد نیاز برای روشن کردن یک کامپیوتر دستی میتواند از فضایی در اندازه یک اتاق، تقریبا در هر جهتی و حتی زمانی که اشیا کاملا خط دید بین دو نقطه را مسدود کرده باشند، عبور کرده و دستگاه را روشن کند.”

یک لپ تاپ بیسیم یا WiTricity میتواند بدون اتصال به پریز برق در اتاقی که یک دستگاه فرستنده در آن باشد، به طور خودکار شارژ شود و بدون باطری کار کند. این تکنیک شباهت بسیاری به القای مغناطیسی دارد که در ترانسفورماتورهایی الکتریکی که در آنها سیم پیچها برای انتقال الکتریسیته در میانشان در فاصله بسیار نزدیک به یکدیگر قرار گرفته اند، به کار میرود. اما با افزایش این فاصله ، این سیم پیچهای فاقد رزونانس نیز به تدریج کارایی خود را از دست میدهند.

گزارشات منتشر شده از این آزمایش موجب برپا شدن اعتراضاتی گاه تحقیر آمیز از سوی جامعه وبلاگ نویسانی شد که یادآوری میکردند نیکولای تسلا (Nikolai Tesla)، نابغه علم الکتریسیته، در حدود ۱۰۰ سال قبل فرستنده الکتریکی بسیار قدرتمندتری به وجود آورده که در سال ۱۸۹۹، طی آزمایشی نمایشی و مشهور در کولورادو اسپرینگز (Colorado Springs) آنرا آزموده است.

تسلا که علاوه بر کارهای دیگر، مدتی نیز با توماس ادیسون (Thomas Edison) همکاری میکرد، مخترع مبدل تسلا است، این مبدل ترانسفورماتوری است که با استفاده از تکنیکی به نام “دهانه جرقه”، جریان برق کم ولتاژ با فرکانس پایین را به جریانی با ولتاژ و فرکانس بالا تبدیل میکند.

به نظر میرسد که تسلا در آزمایش کولورادو سعی داشته نیروی الکتریسیته را در فواصل مختلف تولید کرده و انتقال دهد. اما یک برنامه مستند به نام “تسلا: خدای آذرخش” (Tesla: Master of Lightning) که در سال ۲۰۰۰ از شبکه PBS پخش شد، چنین نتیجه گیری میکند که دستاورد واقعی تسلا از آزمایش کولورادو به طور دقیق مشخص نشده است.

در یکی از یادداشتهای موجود در وب آمده است: “هنوز هم راز و رمز بسیاری بر کار تسلا در کولورادو اسپرینگز سایه افکنده است. از یادداشتهای او نمیتوان به طور دقیق متوجه شد که روش او برای انتقال بدون سیم برق چه بوده است. اما مشخص است که او هنگام بازگشت به نیویورک کاملا به موفق بودن آزمایش خود اعتقاد داشت.”

اکنون، پس از گذشت بیش از ۱۰۰ سال، نوادگان دانش تسلا موفق به اجرای ایده او شده اند.

  ظهور دوباره

 امکان عملی کردن انتقال جریان برق به صورت بی‌سیم (Wireless power) در نمایشگاه CES در سال ۲۰۰۷ به نمایش گذاشته شده؛ اما از آن زمان تاکنون این فناوری حیرت‌انگیز آهسته‌آهسته می‌رفت تا در شرف فراموشی و محو شدن تدریجی از خاطر مردم قرار بگیرد. درود بر یک گروه محقق به نام ائتلاف غیر انتفاعی جریان برق بی‌سیم ‌(The wireless power consortium) که با همت و تلاش آنها این مساله دوباره به شکلی نو مطرح می‌شود. این ائتلاف غیر انتفاعی متشکل از شرکت‌هایی مانند Fulton Innovation، National semiconductor، Olympus، Philips و Samsung است. در نمایشگاه CES امسال نیز شرکت‌هایر (Haier) چین با به نمایش گذاشتن تلویزیون‌های LCD که برخلاف محصولات بی‌سیم شرکت‌هایی مانند سونی و ال جی که تنها اتصالات صوتی و تصویری بی سیم داشتند، به معنای واقعی بی‌سیم و انتقال بی‌نیاز از کابل برق بود، امکان در دسترس بودن این فناوری به منازل مصرف‌کنندگان فراهم شده است.

تئوری فناوری

ما به موج‌های حامل اطلاعات عادت کرده‌ایم. موج‌هایی که در هوای اطراف ‌ما و درون سیم‌ها، بیت‌های اطلاعات یا سیگنال‌های قابل تبدیل شدن به صدا و تصویر را این طرف و آن طرف می‌برند. از سویی این را هم می‌دانیم که این امواج در درجه نخست حامل انرژی هستند، پس چرا انرژی الکتریکی را نیز به همین روش منتقل نکنیم؟ فرض کنید، شما یک دستگاه رادیو می‌خرید که علاوه بر برنامه‌های رادیویی، انرژی خود را هم از امواج الکترومغناطیسی‌ای می‌گیرد که از یک منبع زمینی یا ماهواره‌ای فرستاده‌شده‌اند. رادیو شاید مثالی از مد افتاده باشد. همه این روزها به گوشی‌های موبایل می‌اندیشند.

ما به موج‌های حامل اطلاعات عادت کرده‌ایم. موج‌هایی که در هوای اطراف ‌ما و درون سیم‌ها، بیت‌های اطلاعات یا سیگنال‌های قابل تبدیل شدن به صدا و تصویر را این طرف و آن طرف می‌برند. از سویی این را هم می‌دانیم که این امواج در درجه نخست حامل انرژی هستند، پس چرا انرژی الکتریکی را نیز به همین روش منتقل نکنیم؟ فرض کنید، شما یک دستگاه رادیو می‌خرید که علاوه بر برنامه‌های رادیویی، انرژی خود را هم از امواج الکترومغناطیسی‌ای می‌گیرد که از یک منبع زمینی یا ماهواره‌ای فرستاده‌شده‌اند. رادیو شاید مثالی از مد افتاده باشد. همه این روزها به گوشی‌های موبایل می‌اندیشند.
طبعاً چشم‌انداز دورتر، انتقال انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمان‌های مسکونی و تجاری به این روش است. اما در این ‌مدت، همین که بتوانیم دستگاه‌هایی نظیر تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها را از باتری و شارژر بی‌نیاز کرد، به قدر کافی برای پژوهش در این زمینه اشتیاق ایجاد می‌کنیم. اگر بتوانیم چنین فناوری‌ای را به طور مؤثر پیاده‌سازی کنیم، حتی در محدوده‌هایی چندمتری، تحول بزرگی در زندگی ما ایجاد می‌شود. فقط همین را به یاد بیاورید که برای تغییر دکوراسیون خانه، یکی از نخستین قیدها، مکان پریزهای برق است. نمی‌توانید تلویزیون خود را هر جایی که می‌خواهید بگذارید، زیرا باید به پریز نزدیک باشد. کابل‌های واسط هم ممکن است خطرناک باشند یا اتاق‌ شما را از ریخت بیاندازند! اما فراتر از آن، تصور کنید که سیم‌کشی برق در ساختمان‌های نوساز لازم نباشد یا لااقل حجم آن کاهش چشم‌گیری پیدا کند. برای این که یک چراغ از سقف اتاقی بیاویزید، مجبور نباشید سیم برق را هم تا سقف برسانید؛ بی‌سیم کردن ارتباطات تقریباً به طور کامل ممکن است. تصور کنید برق هم بی‌سیم شود. آیا می‌توان بالاخره از دست این سیم‌های دوست‌داشتنی خلاص شد؟

چگونه چنین کاری انجام دهیم؟ چه طور است با ایستگاه‌های رادیویی و تلویزیونی تماس بگیریم و از آن‌ها بخواهیم شعله آنتن‌های‌شان را قدری بالا بکشند؟! مشکل اصلی این خواهدبود که این گونه انتشار انرژی، چندان جهت‌مند نیست. یک آنتن رادیویی محدوده وسیعی را تحت پوشش قرار می‌دهد. پوشش دادن تمام نقطه‌ها در این محدوده شاید لازم نباشد، اما آسان‌ترین شیوه ممکن است. حال فرض کنید، بخواهیم از سیستم مشابهی برای انتقال انرژی استفاده کنیم. انرژی الکتریکی در نقطه‌های معینی توسط آنتن‌های‌ مصرف‌کنندگان دریافت می‌شود و در بقیه ناحیه‌ها انرژی زیادی هدر می‌رود و به گرما تبدیل می‌شود. چنین اتلافی در کاربردهای مخابراتی قابل توجیه است، زیرا در آنجا فقط لازم است سیگنال دریافتی آن قدر قوی باشد که بتوان اطلاعات گنجانده‌شده در آن را بازیابی کرد، اما برای انتقال انرژی، جدا از بحث اقتصادی نبودن این شیوه، مسئله امنیت آن (به خاطر گسیل شدت بالایی از میدان‌های الکترومغناطیسی) و هم‌چنین آثار زیست‌محیطی آن (هم به دلیل شدت بالای میدان و هم به خاطر جذب شدن بیشتر انرژی توسط محیط و تبدیل شدنش به گرما) مطرح خواهدبود. خوب، پس به ظاهر اگر انتقال انرژی به صورت بی‌سیم اساساً ممکن باشد، راهش این نیست. اما، آیا اصولاً راهی وجود دارد؟

انواع روش های انتقال انرژی به صورت وایرلس:

 Induction

انتقال انرژی الکتریکی به وسیله ی کوپل مغناطیسی توسط دو سیم  پیچ . این روش که از اولین دستاورد های این سیستم می باشد به صورت معمول در ساخت ترانسفورماتور ها مورد استفاده قرار می گیرد

Radio & Microwave

در این روش جهت انتقال انرژی الکتریکی از فرستنده ها و گیرنده های امواج رادیویی استفاده می شود محدوده ی فرکانسی این امواج الکترومغناطیسی از ۰ تا۱۵ گیگی هرتز می باشد. با فزایش فرکانس در این سیستم تلفات انتقال این امواج کاهش می یابد. راندمان این سیستم وایرلس بالا می باشد ولی دارای محدودیت های بالایی در مورد انتقال توان جهت مصارف صنعتی می باشد.
Electrical conduction

در این سیستم انرژی الکتریکی توسط ماهیت میدان های الکترواستاتیکی انتقال می یابد برای مثال می توان لامپ های مهتابی و گازهای التهابی را نام برد که در آنها جریان الکتریکی به صورت وایرلس انتقال پیدا می کند.

:Laser in power beaming

در این روش انرژی الکتریکی ابتدا به پرتو های لیزر تبدیل می شود و پس از انتقال توسط سلول های نوری به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. از ویژگی های این سیستم انتقال انرژی در مسیر های مستقیم امکان پذیر می باشد و در دریافت لیزر و تبدیل آن به انرژی الکتریکی با راندمان به اندازه ی۵۰ تا ۴۰ % انجام می شود. لیزر در جو زمین و برخورد به گاز های موجود دارای تلفات می باشد . توسط این سیستم  انرژی می تواند در فواصل طولانی انتقال داده شود و کاربرد این سیستم بیشتر در انتقال انرژی در محیط های خارج از جو و هوا فضا می باشد.

: Resonant induction

در سال ۲۰۰۶ محققین انیستیتنو ماساچوست با استفاده از تئوری الکترومغناطیس تصمیم به انتقال انرژی الکتریکی بین دو سیم پیچی گرفتند که کوپل مغناطیسی نبود و از هم فاصله داشتند در این سیستم از رزنانس کردن در مدار اولیه و انتقال میدان های مغناطیسی با ایجاد تونل از به ثانویه استفاده شده محققین MIT در ژون سال دو ۲۰۰۷ برای اولین با سیستمی را بر این اساس ارائه دادن که قابلیت انتقال انرژی الکتریکی تا فاصله دو متر با توان ۶۰ وات را دارا بود.

جدول مقایسه :

یک راه ممکن، استفاده از تابش جهت‌مند الکترومغناطیسی است. برای نمونه، فرض کنید بخواهیم انرژی را در قالب باریکه‌های لیزر منتقل کنیم. انتقال انرژی با لیزر یکی از گزینه‌های مورد توجه است، اما با مشکلات فراوانی همراه است: مشکل نخست، آن‌که تبدیل انرژی الکتریکی به لیزر بازدهی چندان بالایی ندارد (کمتر از پنجاه درصد)؛ مشکل دوم، انتقال انرژی به این شیوه از نقطه‌ای به نقطه دیگر، به دید مستقیم نیاز دارد. برای مقایسه، به این بیاندیشید که تاکنون چند بار آنتن رادیویی‌ای که از آن سیگنال‌های رادیو را دریافت می‌کنید، از نزدیک دیده‌اید. علاوه بر نیاز به دید مستقیم، غبار و بخار آب موجود در هوا نیز مقداری از انرژی باریکه لیزری را جذب می‌کنند و همچنین باعث واگرایی آن می‌شوند.

مشکل سوم در مقصد است؛ تبدیل دوباره انرژی تابش لیزر به انرژی الکتریکی با استفاده از سلول‌های نوری، باز هم بازدهی چندان بالایی ندارد. در ضمن، این شیوه چندان برای هدف‌های متحرک قابل استفاده نیست، زیرا باید باریکه لیزر را دائم به سوی مکان جدید گیرنده هدف‌گیری کرد.با وجود تمام این مشکلات، انتقال انرژی با استفاده از لیزر همچنان یکی از گزینه‌های قابل بحث است، چرا که ممکن است در نهایت برای مرحله‌های مشخصی از توزیع و انتقال انرژی یا در شرایطی خاص به کار آید و از نظر اقتصادی هم توجیه‌پذیر باشد.

روش دیگر انتقال بی‌سیم برق، استفاده از امواج مایکروویو (با طول موج‌هایی در حدود میلی‌متر تا چند ده متر) یا امواج رادیویی (با طول موج حدوداً ده متر تا مرتبه کیلومتر) است. آنتن‌هایی برای انتقال جهت‌مند امواج رادیویی ساخته شده‌اند و امروزه به طور گسترده در مخابرات به کار می‌روند، اما استفاده از آن‌ها برای انتقال انرژی با دشواری‌هایی همراه است. می‌توان انرژی الکتریکی را با استفاده از آنتن‌هایی که برای تابش متمرکز امواج رادیویی طراحی شده‌اند، در فاصله‌های بسیار زیاد منتقل کرد و استفاده از امواج مایکروویو هم گزینه‌ای نسبتاً مشابه است، با تفاوت‌هایی در مهندسی آن.

به طور کلی، در میان شیوه‌های مختلف انتقال بی‌سیم انرژی الکتریکی، روش‌هایی که میدان الکتریکی در آن‌ها نقش دارد، مشکلات بیشتری را در انتقال ایجاد می‌کنند.   میدان الکتریکی تقریباً با هر جسم مادی در مسیر انتقال انرژی وارد برهم‌کنش می‌شود و بسته به طول موج، آثار نامطلوب گوناگونی را موجب می‌شود. در برابر، آثار محیطی و زیستی میدان مغناطیسی بسیار کمتر است. پس بهتر است به شیوه‌های ممکن استفاده از میدان مغناطیسی نگاهی بیاندازیم. آیا اصلاً چنین روشی وجود دارد؟

همه ما روزمره از انتقال انرژی برق به وسیله میدان مغناطیسی استفاده می‌کنیم. در حقیقت، تمام برقی که از سیستم برق شهری دریافت می‌کنیم، در چندین مرحله با استفاده از میدان‌های مغناطیسی منتقل شده‌است: ترانسفورماتورها که برای تغییر ولتاژ به کار می‌روند، اساساً بر این اساس کار می‌کنند (از این جهت می‌توان گفت که بین خانه‌ها و نیروگاه‌ها اتصال مستقیم الکتریکی وجود ندارد). در یک ترانسفورماتور، معمولاً دو سیم‌پیچ وجود دارد که با عبور جریان متناوب از سیم‌پیچ اول، میدان مغناطیسی متناوبی داخل چنبره سیم‌پیچ ایجاد می‌شود و این میدان جریانی متناوب را در سیم‌پیچ دوم القا می‌کند. این پدیده را القای الکترومغناطیسی می‌خوانند و حدود دو قرن پیش توسط مایکل فارادی کشف و توضیح داده‌شد. خوب، چه طور است سیم‌پیچ اول را سر جایش نگه داریم و سیم‌پیچ دوم را ببریم و در نقطه‌ای که می‌خواهیم قرار دهیم؟ چنین کاری اساساً ممکن است، فقط با این محدودیت که زیاد نمی‌توان از سیم‌پیچ اول دور شد، زیرا هندسه میدان مغناطیسی سیم‌پیچ بسیار متمرکز است و با دور شدن از هسته مرکزی آن، به سرعت اتلاف انرژی افزایش می‌یابد. با این حال از این شیوه هم نمی‌توان چشم پوشید و در حقیقت، هم‌اکنون ابزارهایی الکتریکی در بازار هستند که با انتقال انرژی به شیوه القای الکترومغناطیس شارژ می‌شوند (مانند مسواک‌های الکتریکی بی‌سیم) .

هدف اصلی این تئوری :

هر قدر هم داستان تسلا و ایده‌هایش برای برق‌رسانی جهانی جالب و مرموز باشد، مسئله برق‌رسانی بی‌سیم امروزه شکل دیگری دارد: شبکه‌های برق‌رسانی باسیم اکنون تقریباً تمام دنیا را تسخیر کرده‌اند. اگر بتوان سیم‌کشی‌ها را فقط در محدوده‌هایی چندمتری حذف کرد، تحول بزرگی در صنعت و زندگی روزمره همه ما رخ خواهد داد. کاربردهای جدیدی هم (فراتر از لوازم خانگی، الکترونیکی و حتی تجهیزات همراه) برای برق‌رسانی بی‌سیم وجود دارند: سیستم‌های نانومتری و روبات‌ها. تصور کنید روزی ایده ساختن ماشین‌های مکانیکی در ابعاد نانومتری عملی شود. یکی از چالش‌هایی که در این چشم‌انداز وجود دارد، رساندن انرژی مورد نیاز به این تجهیزات است. ماشین‌های نانومتری را نمی‌توان به آسانی به سیم برق وصل کرد.

کاربرد :

هر قدر هم داستان تسلا و ایده‌هایش برای برق‌رسانی جهانی جالب و مرموز باشد، مسئله برق‌رسانی بی‌سیم امروزه شکل دیگری دارد: شبکه‌های برق‌رسانی باسیم اکنون تقریباً تمام دنیا را تسخیر کرده‌اند. اگر بتوان سیم‌کشی‌ها را فقط در محدوده‌هایی چندمتری حذف کرد، تحول بزرگی در صنعت و زندگی روزمره همه ما رخ خواهد داد. کاربردهای جدیدی هم (فراتر از لوازم خانگی، الکترونیکی و حتی تجهیزات همراه) برای برق‌رسانی بی‌سیم وجود دارند: سیستم‌های نانومتری و روبات‌ها. تصور کنید روزی ایده ساختن ماشین‌های مکانیکی در ابعاد نانومتری عملی شود. یکی از چالش‌هایی که در این چشم‌انداز وجود دارد، رساندن انرژی مورد نیاز به این تجهیزات است. ماشین‌های نانومتری را نمی‌توان به آسانی به سیم برق وصل کرد.

در حقیقت، انگیزه اصلی توجه به برق‌رسانی بی‌سیم در سال‌های اخیر، بیشتر از هر چیز سه حیطه مشخص بوده است: تجهیزات الکترونیکی همراه، وسایل نقلیه و به‌خصوص سیستم حمل و نقل عمومی و کاربردهای صنعتی در زمینه روباتیک و سیستم‌های ریزمقیاس. در برخی موارد، ممکن است بتوان تجهیزات همراه را با برق‌رسانی بی‌سیم از باتری بی‌نیاز ساخت.پس شاید امروزه راه‌های انتقال بی‌سیم برق در محدوده‌های میانی و حتی کوتاه، اهمیت بیشتری داشته‌باشند. چنان که دیدیم، انتقال انرژی با تابش الکترومغناطیسی شیوه مناسبی برای این کار نیستند. القای الکترومغناطیس ممکن است برای سیستم‌هایی که عملاً با هم در تماس نزدیک هستند به کار آید. به‌عنوان مثال، فرض کنید به جای آن که گوشی موبایل خود را به فیش شارژر وصل کنید، فقط لازم باشد آن را در محدوده معینی روی میز خود قرار دهید و گوشی‌تان در صورت نیاز، شارژ شود.

در برخی موارد، ممکن است بتوان تجهیزات همراه را با برق‌رسانی بی‌سیم از باتری بی‌نیاز ساخت.پس شاید امروزه راه‌های انتقال بی‌سیم برق در محدوده‌های میانی و حتی کوتاه، اهمیت بیشتری داشته‌باشند. چنان که دیدیم، انتقال انرژی با تابش الکترومغناطیسی شیوه مناسبی برای این کار نیستند. القای الکترومغناطیس ممکن است برای سیستم‌هایی که عملاً با هم در تماس نزدیک هستند به کار آید. به‌عنوان مثال، فرض کنید به جای آن که گوشی موبایل خود را به فیش شارژر وصل کنید، فقط لازم باشد آن را در محدوده معینی روی میز خود قرار دهید و گوشی‌تان در صورت نیاز، شارژ شود.

القاء چیست ؟

اما القای الکترومغناطیس، تمام ماجرای انتقال بی‌سیم انرژی الکتریکی با استفاده از میدان مغناطیسی نیست. شیوه بهتری هم برای استفاده از میدان مغناطیسی در انتقال برق وجود دارد: القای تشدیدی (رزونانس). مبنای القای تشدیدی بر استفاده از خازن و سیم‌پیچ در کنار هم (به جای استفاده از سیم‌پیچ به تنهایی) استوار است. فرض کنید مداری که جریان متناوب از آن عبور می‌کند، به جای آن که فقط از یک سیم‌پیچ در فرستنده و سیم‌پیچ دیگری در گیرنده استفاده شود، در هر طرف از یک مدار خازن و سیم‌پیچ (که در این آرایش، القاگر خوانده می‌شود) تشکیل شده‌باشد. با اضافه کردن خازن به این مدارها، در حقیقت هر کدام را به یک نوسانگر تبدیل کرده‌ایم که هر کدام بسته به میزان ظرفیت خازن و قدرت القاگر خود، یک فرکانس طبیعی نوسان خواهد داشت. اگر فرکانس موج الکترومغناطیسی تابانده شده به یک نوسانگر، برابر با فرکانس طبیعی آن باشد، بیشترین میزان انرژی را از موج جذب خواهدکرد. این در حقیقت، همان مکانیسمی است که در رادیوهای آنالوگ برای یافتن کانال‌های رادیویی به کار می‌رود: وقتی پیچ تنظیم را می‌چرخانید، در حال تغییر دادن فرکانس طبیعی سیستم خازن و القاگر درون آن هستید. وقتی یک کانال را به طور واضح دریافت می‌کنید، فرکانس طبیعی سیستم را به فرکانس آن ایستگاه نزدیک کرده‌اید.

مزیت بسیار مهم استفاده از القای تشدیدی برای انتقال انرژی آن است که می‌توان انتقال انرژی را به جای میدان‌های الکتریکی، اساساً به میدان‌های مغناطیسی سپرد. برتری میدان‌های مغناطیسی برای این منظور، چندگانه است: نخست آن که برهم‌کنش این میدان‌ها با بیشتر مواد اطراف ما بسیار ضعیف است و در نتیجه موانع عادی مانند دیوارهای نازک و اثاثیه داخل ساختمان‌ها مانع مهمی برای آن محسوب نمی‌شوند. دوم این‌که، نوسانگر گیرنده (سیستم القاگر و خازن و مقاومت) کم و بیش فعالانه در جذب انرژی نقش دارد (شاید بتوان گفت همان گونه که اسفنج آب را جذب می‌کند) و خطوط میدان را به سمت خود جذب می‌کند و خطوط میدانی هم که به سمت گیرنده نمی‌روند، عمدتاً در اطراف فرستنده باقی می‌مانند و در هوا تخلیه نمی‌شوند. به این شکل تا حد بسیار زیادی در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌شود. سومین و شاید مهم‌ترین مزیت این شیوه، ایمنی بیشتر آن نسبت به شیوه‌هایی است که پیش‌تر دیدیم. برهم‌کنش میدان مغناطیسی با بافت‌های زیستی، بسیار ضعیف‌تر از برهم‌کنش میدان الکتریکی با آن‌ها است، چرا که بافت‌های زنده عمدتاً از موادی غیرمغناطیسی  (مانند کربن و هیدروژن و اکسیژن) تشکیل شده‌اند که در عین حال، قابلیت قطبش‌پذیری بالایی در میدان‌های الکتریکی دارند. جذب انرژی از میدان‌های مغناطیسی در بافت‌های زنده بسیار کمتر از جذب انرژی از میدان‌های مغناطیسی است.

به این ترتیب، به نظر می‌رسد که القای تشدیدی مغناطیسی شیوه برگزیده انتقال بی‌سیم برق باشد.خبر خوش آن است که این شیوه هم‌اکنون در سطح صنعتی مورد استفاده قرار گرفته، نه برای سیستم‌های کم‌مصرفی مانند تجهیزات همراه، بلکه برای سیستم‌های پرقدرتی مانند مونوریل‌های حمل و نقل شهری. گروه پروفسور جان‌بویز در دانشگاه Auckland  (و پیش‌تر از آن، پروفسور دُن‌اُتو از همان دانشگاه) در نیوزلند را شاید بتوان پیش‌گام این عرصه دانست. هم‌اکنون آن‌ها موفق به ساخت سیستم‌هایی شده‌اند که انرژی الکتریکی را با استفاده از القای تشدیدی مغناطیسی در کاربردهایی مانند سیستم مونوریل، سیستم‌های روباتیک و روشنایی شهری منتقل می‌کند.گروه سولیاچیچ  و همکارانش در MIT در حقیقت راه Boys را در مقیاس میانه دنبال می‌کنند. هدف این گروه، ساخت سیستم‌های انتقال انرژی الکتریکی بر مبنای القای تشدیدی، برای کاربردهایی مانند لوازم الکترونیکی همراه و لوازم الکتریکی محیط‌های داخلی است. آن‌ها در طرحی آزمایشی توانستند انرژی الکتریکی را به این شیوه با بازدهی چهل درصد در فاصله‌ای دو متری منتقل کنند که در حقیقت بازسازی کارهای جان بویز در سال ۱۹۸۰ بود (و شاید بازآفرینی روش تسلا).هم‌اکنون شرکت‌هایی مانند اینتل و فیلیپس مشغول پژوهش در این زمینه‌ها هستند.

کاربرد در شارژر بی سیم :

با انتقال الکتریسیته به‌صورت بی‌سیم، انجام اموری مانند تعویض باتری دستگاه و شارژ  دوباره آن به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. حتی در برخی موارد سیم‌های برق کاملاً حذف می‌شوند. با پیشرفت فناوری ارتباطات بی‌سیم،کابل‌ها که زمانی استفاده از آن‌ها در تجهیزات الکترونیکی ضروری به‌نظر می‌رسیدند،  به تدریج کنار گذاشته می‌شوند. کاهش اندازه مدارها، تنها مانع کاهش حجم تجهیزات سیار، وجودسیم‌های برق و باتری‌های بزرگ است. با ظهور فناوری‌های جدید، آخرین زنجیره‌ها نیز پاره شده و انتقال بی‌سیم برق به‌طور کامل فراهم می‌شود. انتظار می‌رود، به‌زودی کاربردهای مختلفی از این فناوری وارد بازار شوند.

تحقیق برای استفاده از فناوری بی‌سیم جهت تأمین نیروی ترمینال‌ها از حدود یک قرن پیش، همزمان با ظهور اولین فناوری الکترونیکی آغاز شد. بالاخره بعد از حدود یکصد سال، امکان استفاده از این فناوری فراهم شده است. حدود ده‌سال قبل فناوری انتقال بی‌سیم برق به‌طور محدود مورد استفاده قرار گرفت و انتظار می‌رود، به‌زودی این فناوری به‌طور وسیع در ابزارهایی مانند گوشی‌های موبایل و دستگاه‌های قابل حمل پخش موسیقی  به کار رود.

در شکل ۱ نمونه‌ای از این ابزارها را مشاهده می‌کنید. این فناوری شارژ بی‌سیم قادر است بدون هیچ‌گونه تماسی در فاصله چند میلی‌متری بین دستگاه شارژر و گوشی عمل کند. شرکت موتورولا و سایر شرکت‌های تولیدکننده گوشی در ایالات متحده در حال ساخت گوشی‌هایی هستند که قابلیت استفاده از فناوری مذکور را دارند. شرکت اپل در فوریه سال ۲۰۰۷ یک حق اختراع در زمینه دستگاه شارژر بی‌سیم آی‌فون، آی‌پاد و برخی دیگر از محصولات خودبه ثبت رساند. این علاقه شدید، دست‌اندرکاران صنعت گوشی‌های همراه را به استفاده از فناوری شارژ بی‌سیم تجهیزات نشان می‌دهد. در ژاپن شرکت NTT DoCoMo فعالانه در حال توسعه فناوری مشابهی است. این شرکت اولین نمونه گوشی قابل حمل دارای قابلیت شارژ بی‌سیم را در سال ۲۰۰۵ تولید کرد. علاوه بر شارژ بی‌سیم، موج جدیدی از فناوری‌ها که قادر به انتقال بی‌سیم برق از فواصل چند سانتی‌متر تا چندمتر هستند، به بازار عرضه شده که انتظار می‌رود به‌زودی برخی از آن‌ها در تجهیزات نورپردازی مورد استفاده قرار گیرند.

کاربردهای برق بی‌سیم :

کاربردهای مختلف برق بی‌سیم 
انتظار می‌رود پیشرفت‌های صنعت انتقال انرژی بی‌سیم به‌زودی چهره تجاری به خود بگیرد. مؤسسه Slashpower واقع در انگلستان نسل جدیدی از شارژرها و مبدل‌های بی‌سیم را به بازار اروپا عرضه کرده‌است (الف). شرکت Seiko Epson فناوری شارژ بی‌سیم خود را  با نام تجاری جدید Air Trans معرفی کرده است. این فناوری برای شارژ گوشی‌های تولید شده توسط NTT  DoCoMo و سایر تجهیزات مشابه مورد استفاده قرارمی‌گیرد. در شکل (ب) مبدلی را برای آی‌پاد مشاهده می‌کنید. شرکت‌های Visteon، Motorola و Fulton Innovation با همکاری یکدیگر شارژری را تولید کرده‌اند که قادر است باتری دوازده ولتی اتومبیل را برای شارژ گوشی‌های همراه به‌کار گیرد (پ). مؤسسه Powercast فناوری جدیدی را توسعه داده که قادر به دریافت مؤثر برق ارسالی توسط یک گسیل‌گر واقع در فواصل چندین سانتی‌متری تا چندین متری است (ت). این فناوری کاربردهایی را در محصولات شرکت Royal Philips و سایر شرکت‌ها به دست آورده‌است. در تصویر فوق شیرر از شرکت Powercast نحوه انتقال برق را نمایش می‌دهد. گسیل‌گر واقع در مرکز (که در سمت چپ تصویر(ت) دیده می‌شود) برق مورد استفاده چراغ‌های LED، صفحه‌کلید، گوشی‌های همراه و اسباب‌بازی را گسیل می‌کند.

شرایط مناسب
به چند دلیل فناوری‌های جدید توجه سازندگان و محققان را به خود جلب کرده‌است؛ نخست این‌که بازار آن‌ها رشد چشمگیری داشته، دوم این‌که توسعه این فناوری‌ با سرعت بوده و سوم‌این‌که ظهور فناوری‌های رقیب با آن تأخیر زیادی دارد (شکل ۲). منظور از رشد بازار، افزایش چشمگیر تعداد و تنوع گوشی‌های همراهی است که با استفاده از باتری کار می‌کنند. جان جی شیرر، مدیرعامل مؤسسه Powercast  LLC که یکی از فناوری‌های موردبحث را توسعه داده است،‌ «تا حدود هفت سال قبل تقریباً هیچ نوع تجهیزات کم‌مصرفی مانند کامپیوترهای کیفی، گوشی‌های همراه کوچک، دوربین‌های دیجیتالی و پخش‌کننده‌های موسیقی قابل‌حمل وجود نداشت. مدت بسیار کوتاهی است که تأمین نیروی مورد نیاز این تجهیزات به‌صورت بی‌سیم، به امری واقعی تبدیل شده است.»

عوامل پیشرفت برق بی‌سیم :

علت داغ بودن بازار تأمین برق بی‌سیم چیست؟ 
افزایش علاقه صاحبان صنایع به فناوری‌های انتقال بی‌سیم برق پیش از هرچیز، به دلیل رشد سریع بازار تجهیزات همراه است. تنوع این نوع تجهیزات به نحو چشمگیری افزایش یافته و علاوه بر گوشی‌های همراه شامل پخش‌کننده‌های موسیقی مانند آی‌پاد و گوشی‌های دارای بلوتوث نیز می‌شود. همین افزایش تنوع محصولات، شارژ دوباره را به مشکلی زمان‌بر برای کاربران تبدیل می‌کند. روند توسعه این فناوری‌ها به سرعت طی می‌شود. از بین فناوری‌های انتقال بی‌سیم که در حال توسعه هستند،‌ فناوری القای الکترومغناطیس دارای راندمانی معادل شصت درصد برق القایی است. این میزان راندمان حداقل قابل قبول برای گوشی‌های همراه و سایر محصولات است. در مقابل، فناوری به کار رفته در باتری‌ها طی چندین سال هیچ پیشرفت چشمگیری نداشته و قادر به تأمین نیاز رو به رشد بازار نیست.

کلید توسعه فنی، ارسال و دریافت انرژی بدون استفاده از سیم است. به‌عنوان مثال، فناوری‌های شارژ بدون تماس در گذشته فقط قادر به استفاده از ده تا بیست درصد توان انتقالی بودند، اما در یک یا دو سال گذشته این میزان تا شصت درصد افزایش یافته است. یک منبع خبری در شرکت Seiko Epson عملکرد فناوری مذکور را «مانند یک اجاق القایی» توصیف می‌کند. به‌این معنی که اتلاف برق اضافی موجب گرمایش قابل توجه تجهیزات دریافت کننده برق می‌شود. با وجود این‌که شرکت‌های مختلف تمایل داشتند از این فناوری در گوشی‌های همراه استفاده کنند، انجام چنین کاری امکان‌پذیر نبود. علاوه بر فناوری شارژ بدون تماس، فناوری‌های دیگری وجود دارند که برق لازم را تا فاصله ده متری به‌صورت پرتو به سمت تجهیزات همراه گسیل می‌کنند. البته، این کار در ولتاژهای پایین و با استفاده از فناور‌های انتقال بی‌سیم برق که هنوز کاربرد عملی ندارند، انجام گرفته است.

در همین هنگام، استقبال وسیع از تجهیزات همراه موجب توسعه فناوری‌ باتری‌ها شده است که رقیب اصلی فناوری‌های انتقال بی‌سیم برق محسوب می‌شوند. در سال‌های اخیر، توسعه فنی باتری‌ها چشمگیر نبوده و تا عرضه وسیع باتری‌های سوختی انتظار نمی‌رود تحول چشمگیری در ظرفیت باتری‌ها حاصل شود. حتی در صورتی که عمر باتری‌ها بدون تغییر بماند، افزایش تعداد تجهیزات همراه که توسط یک کاربر حمل می‌شود، به نارضایتی کاربران از زمان موردنیاز برای شارژ باتری‌ها منجر می‌شود. با توجه به شرایط مذکور، اقدامات بسیاری از تولیدکنندگان، ارائه‌دهندگان خدمات و سایر مؤسساتی که قصد دارند از سیستم تأمین برق بی‌سیم استفاده کنند، مشکلات شارژ، جایگزینی باتری و سایر امور مربوطه را کاهش داده و به‌احتمال موجب کاهش ابعاد باتری‌ها نیز می‌شود.

فناوری‌های بی‌سیم انتقال برق
امروزه می‌توان فناوری‌های تأمین برق بی‌سیم را براساس اصول کار به سه گروه مجزا تقسیم کرد (شکل ۳). اولین گروه فناوری‌های شارژ بدون تماس که با استقبال بی‌نظیری در انواع تجهیزات قابل حمل مواجه شده، فناوری القای الکترومغناطیس است. در این فناوری دو سیم‌پیچ به یکدیگر نزدیک شده و میدان مغناطیسی حاصل از عبور جریان از یک سیم‌پیچ، موجب ایجاد نیروی الکتریکی القایی در سیم‌پیچ دیگر می‌شود . یکی دیگر از فناوری‌ها که در آستانه کاربرد تجاری قراردارد، از این واقعیت که انرژی قادر است به‌طور مستقیم در قالب امواج رادیویی ارسال و دریافت شود، بهره می‌برد. این فناوری از همان اصولی استفاده می‌کند که یک قرن پیش در رادیوهای کریستالی به کار می‌رفت. با این تفاوت که امواج رادیویی جریان متناوب AC بدون تقویت به امواج مستقیم (DC )تبدیل می‌شوند. بهبودهای اخیر در راندمان، امکان استفاده از این فناوری را در محصولات تجاری فراهم کرده است. سومین شیوه، استفاده از تشدید الکترومغناطیس است. شیوه تشدید اغلب در صنایع الکترونیکی کاربرد دارد، اما در این شیوه خاص به جای امواج یا جریان الکترومغناطیس فقط از میدان مغناطیسی یا الکتریکی استفاده می‌شود.گروهی با نظارت پروفسور مارین سولیاجیک از بخش فیزیک دانشگاه MIT در ماه نوامبر سال ۲۰۰۶ برای اولین بار در جهان اعلام کردند که این فناوری قابلیت انتقال برق را دارد.

با انتقال الکتریسیته به‌صورت بی‌سیم، انجام اموری مانند تعویض باتری دستگاه و شارژ  دوباره آن به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. حتی در برخی موارد سیم‌های برق کاملاً حذف می‌شوند. با پیشرفت فناوری ارتباطات بی‌سیم،کابل‌ها که زمانی استفاده از آن‌ها در تجهیزات الکترونیکی ضروری به‌نظر می‌رسیدند،  به تدریج کنار گذاشته می‌شوند. کاهش اندازه مدارها، تنها مانع کاهش حجم تجهیزات سیار، وجودسیم‌های برق و باتری‌های بزرگ است. با ظهور فناوری‌های جدید، آخرین زنجیره‌ها نیز پاره شده و انتقال بی‌سیم برق به‌طور کامل فراهم می‌شود. انتظار می‌رود، به‌زودی کاربردهای مختلفی از این فناوری وارد بازار شوند.

پیشرفت برچسب‌های RFID
از بین فناوری‌های موجود القای الکترومغناطیس و دریافت امواج رادیویی، از سال‌های ۱۹۰۰ که انقلاب فناوری‌های الکترونیکی آغاز شد، همراه ما بوده‌اند. در هردو حوزه، فعالیت‌های اخیر به پیشرفت‌های سریع فناوری شناسایی با امواج رادیویی (RFID) منجر شده است. برچسب‌های RFID در سال‌های دهه شصت به‌عنوان راهکار مؤثری برای مقابله با سرقت اجناس از فروشگاه‌ها معرفی شدند و در سال‌های دهه نود توسعه بسیار یافتند. به‌عنوان مثال، کارت‌های هوشمند بدون تماس که در باند ۱۳,۵۶ مگاهرتز و براساس القای الکترومغناطیس کار می‌کنند، در اواسط دهه نود عرضه شدند و در هنگ‌کنگ توسط میلیون‌ها نفر مورد استفاده قرار گرفتند. این فناوری به سرعت در دستگاه‌های شارژر وسایل نقلیه، ساعت‌ها و کالاهای الکتریکی مانند ماشین‌های اصلاح به‌کار گرفته شد.

به‌واسطه ظهور برچسب‌های RFID فناوری دریافت امواج رادیویی نیز کاربردهای تجاری جدیدی یافت. کاربردهای این فناوری پیچیده هستند. برچسب‌های بردکوتاه RFID در باندهای دارای فرکانس بسیار بالا (UHF) در فواصل چندمتری کار می‌کنند و علاوه بر دریافت امواج الکتریکی مانند امواج رادیوها، قادرند انرژی دریافتی را برای کنترل مدارهای مجتمع (IC) و حافظه به‌کار گیرند و امواج رادیویی را برای دستگاه برچسب‌خوان ارسال کنند. برای استفاده از این فناوری در دستگاه‌ها یک دیود Shotkey با ولتاژ عبوری بسیار کم طراحی شده است. شرکت Powercast این سیستم دریافت امواج رادیویی را براساس فناوری معرفی‌شده توسط دانشگاهPittsburg  طراحی کرده است، اما فناوری دانشگاه مذکور یک رهیافت منفعل برای استفاده از RFID است.  انتظار می‌رود، به‌زودی کاربردهای بسیاری از این فناوری‌ها وارد بازار شوند و در نتیجه تجهیزات قابل حمل تغییرات عمده‌ای داشته باشند. کی کِرسین، معاون بخش فروش و بازاریابی شرکت Powercast  می‌گوید: «ما درخواست‌هایی را از تولیدکنندگان تجهیزات ارتباطی و همچنین تولیدکنندگان بخش‌های مختلف صنعتی مانند لباس و دارو دریافت کرده‌ایم.» وی قبلاً با همین سمت در بخش Mobile Platform Group شرکت اینتل مشغول به کار بود.

رهیافت تشدید شباهت زیادی به فناوری القای الکترومغناطیس دارد. این رهیافت از میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی و سایر میدان‌ها استفاده کرده و براساس تحقیق و توسعه در زمینه‌هایی مانند پرتوNear-field، ارتباطات نوری، کریستال‌های فوتونی و متامتریال‌ها پدید آمده است. کاربردهای جدید و غیرمنتظره میدان‌های الکترومغناطیس که هنگام تحقیقات در حال تکمیل بودند، سبب شد تا سولیاجیک اظهار کند: «من واقعاً تعجب می‌کنم حتی یکی از این رخدادها در سال‌های اخیر برای شخص دیگری به‌وقوع پیوسته است.»

روش‌های پیاده‌سازی:

اصول کار سه فناوری انتقال بی‌سیم برق 
فناوری‌های موجود انتقال بی‌سیم توان را می‌توان به سه نوع متفاوت تقسیم کرد: القای الکترومغناطیس(a)، دریافت رادیویی(b) و تشدید(b). فناوری القای الکترومغناطیس برای انتقال برق از یک میدان مغناطیسی بین دو سیم‌پیچ استفاده می‌کند و امروزه در تلفن‌های بی‌سیم مورد استفاده بوده و کاربردهای مشابه دیگری نیز دارد. رویکرد انتقال رادیویی برای شارژ یا به کارگیری تجهیزات قابل حمل فقط از امواج رادیویی استفاده می‌کند. برای تبدیل امواج AC دریافتی به امواج DC فقط یک اصلاح‌گر (که در شکل با رنگ قرمز مشخص شده است) لازم است. صدها سال قبل در رادیو‌های  کریستالی از اصول مشابهی استفاده شده است. فناوری تشدید اصول به‌کار رفته در سیستم تشدید جفت پاندول‌ها را مورد استفاده قرار می‌دهد. با این تفاوت که به جای میدان الکترومغناطیس از میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی استفاده می‌شود. این فناوری برای اولین بار توسط MIT معرفی شد. در تصویر فوق پروفسور مارین سولیا (در سمت چپ) توسعه‌دهنده این فناوری و آریستیدیس کارالیس، دانشجوی دکترای وی را در دانشگاه MIT مشاهده می‌کنید.

تفاوت روش‌های انتقال برق ‌بی‌سیم

نقاط قوت و ضعف هریک از فناوری‌ها و تأثیر آن‌ها روی باتری‌ها 
با استفاده از القای الکترومغناطیس می‌توان مقادیر بسیاری از برق الکتریکی را انتقال داد. اما برای این کار، دریافت کننده باید نسبت به گسیل‌گر در مکان مناسبی مستقر شود. به این معنی که تجهیزات همراه باید دارای یک باتری باشند (a). دریافت رادیویی فقط قادر است برق را به میزان چند مگاوات ارسال کرده و یک گوشی را به مدت یک یا دو ساعت روشن نگه دارد (b)، اما برق لازم برای روشن ماندن یک گوشی همراه در حالت Stand by را فراهم می‌کند. فناوری تشدید خصوصیات هردو فناوری قبل راداشته و برای انتقال مستقیم برق به تجهیزات بدون باتری مانند جاروبرقی‌ها کاربرد دارد (c).

دریافت برق از فاصله نزدیک
فناوری‌هایی که براساس سه اصل مذکور ساخته شده‌اند، دارای اختلافاتی مانند محدوده عملکرد و سطوح مختلف توان الکتریکی هستند و در نتیجه کاربردهای اصلی آن‌ها متفاوت است (شکل ۴).  القای الکترومغناطیس قادر است صدها کیلووات برق را حداکثر به فاصله یک سانتی‌متر یا کمتر انتقال دهد. بنابراین،هنگام استفاده از این فناوری، تجهیزات همراه باید به باتری‌هایی با این فناوری مجهز باشند و اولین هدف از به کارگیری این فناوری تسهیل شارژ است. طبق پیشنهاد پروفسور آتسو کاوامورا، می‌توان برای فناوری مذکور کاربردهای دیگری مانند شارژ وسایل نقلیه الکتریکی و قطارها نیز یافت. وی عضو هیئت علمی بخش مهندسی در دانشگاه ملی یوکوهاما بوده و از سال ۱۹۹۵ در مورد به‌کارگیری القای الکترومغناطیس تحقیق می‌کند. به علاوه، مطابق پیشنهاد پروفسور ماکوتو تاکامیا در انستیتوی علوم صنعتی از دانشگاه توکیو برای تأمین نیروی تجهیزات پرمصرف مانند تلویزیون‌ها، جاروبرقی‌ها، روشنایی و انتقال بدون تماس برق در فواصل زیاد از میان دیوارها، کف اتاق و… از فناوری القای الکترومغناطیس بهره گرفت.

دریافت امواج رادیویی در فواصل ده متری کارایی دارد، اما فقط می‌توان سطوح پایین برق را تا چندصد مگاوات منتقل کرد. از این فناوری می‌توان برای تأمین نیروی تجهیزات قابل حمل در حالت Stand by بهره گرفت. شیرر از شرکت Powercast می‌گوید: «انتظار می رود این فناوری مدت زمان مکالمه مستمر با گوشی‌ها را از پنج ساعت به ده ساعت افزایش دهد.» به‌عنوان مثال؛ اگر گسیل‌گر برق درون یک لامپ قرار گیرد، می‌توان تجهیزات همراه را بدون نیاز به دستگاه خاصی شارژ کرد و به‌این ترتیب زمان موردنیاز را برای شارژ باتری کاهش داد (در این مورد به کادر «تأمین توان حسگرها از فاصله پنج تا ده متری، بدون نیاز به جایگزینی باتری‌ها!» مراجعه کنید).

در تأمین برق با استفاده از شیوه تشدید برق موردنیاز بیش از سه تا چهار متر و با سطح چندین کیلو وات ارسال می‌شود. سولیاجیک از MIT توضیح می‌دهد: «می‌توان آنتن‌ها را روی ریل‌هایی درون شهرها یا در راستای بزرگراه‌ها حرکت داد تا به‌طورمستقیم برق موردنیاز اتومبیل‌ها را تأمین کنند. همچنین روبات‌های کارگر نیز می‌توانند نیروی موردنیاز خود را به‌طورمستقیم از گسیل‌گر موجود در سقف کارخانه دریافت کنند.»

مشکلات و رهیافت‌ها
هنوزهم در این فناوری‌ها مشکلات تکنیکی متعددی وجود دارد. به‌عنوان مثال، القای الکترومغناطیس برق القایی را برای هر قطعه فلز موجود در محدوده عمل خود ارسال می‌کند، مگر این که برای شناسایی اشیای موردنظر، الگوی خاصی را در اختیار داشته باشد. در صورتی که اشیای مذکور دارای مدار دریافت‌کننده برق باشند، گرم شده و شرایط خطرناکی را ایجاد می‌کنند. در این شیوه حفاظت از تجهیزات قابل‌حمل مستقر بین سیم‌پیچ دوم و مدارهای الکترونیکی ضروری است.شیوه دریافت امواج رادیویی راندمان پایینی داشته و بخش اعظم برق ارسالی توسط گسیل‌گر در قالب امواج رادیویی هدر می‌رود. البته، شیرر از شرکت Powercast  این معایب را کوچک شمرده و توضیح می‌دهد که تجهیزاتی مانند تلویزیون موجب هدر رفتن برق قابل توجهی می‌شوند. شیوه تشدید با مشکل تأمین فرکانس موردنیاز مواجه است. انتقال برق در فواصل چندین متری نیازمند فرکانسی بین چند مگاهرتز تا چندصد مگاهرتز است. ایجاد تشدید در این پهنای‌باند بسیار مشکل است.

تأمین برق حسگرها در فواصل پنج تا ده متری بدون نیاز به جایگزینی باتری‌ها!
فناوری توسعه‌یافته توسط شرکت Powercast برای انتقال برق به ترمینال‌های مستقر درفواصل دور هنوز در محصولات مورد استفاده قرار نگرفته، اما اثر آن در دنیای واقعی آزمایش شده‌است. باغ وحش پیترزبورگ واقع در خارج شهر پیترزبورگ آزمایش‌هایی را با استفاده از فناوری شرکت Powercast  در ماه مارس ۲۰۰۶ برای شارژ باتری‌های یک حسگر آغاز کرد. این حسگر در محل زندگی پنگوئن‌ها  واقع در آکواریوم نصب شد و دارای ارتباط رادیویی موج کوتاه بود. این حسگر میزان دما و رطوبت و همچنین سایر اطلاعات را در فواصل زمانی معین برای یک سرور ارسال می‌کرد.

طول عمر کوتاه‌تر باتری
محل زندگی پنگوئن‌ها سنگ‌های مصنوعی و ساختارهای دیگری دارد و استفاده از یک ساختار اضافی به دلیل نیاز به سیم‌کشی دارای مشکلات متعددی است. حسگر مورد بحث در اصل توسط باتری کار می‌کرد و اطلاعات را در هر دقیقه برای سرور مرکزی ارسال می‌کرد. در ابتدا انتظار می‌رفت، این حسگر در هر دو سال نیازمند تعویض باتری باشد. اما مشخص شد که باتری‌ها باید هر ۱۲۰ روز تعویض شوند. تحقیقات نشان داد، دمای بسیار پایین آشیانه پنگوئن‌ها موجب اختلال در عملکرد عادی باتری‌ها شده و اختلال سایر تجهیزات گاهی موجب لزوم چندین ارسال برای رساندن اطلاعات به سرور می‌شود. در هر حال تعداد دفعات تعویض باتری باید به حداقل می‌رسید تا پرندگان کمترین استرس را احساس کنند.  باغ وحش چهار باتری‌ سایز AAA را با د گروه دوتایی از باتری‌های قابل شارژ با سایز AAA و «مدارهای تأمین نیروی مجهز به آنتن FireFly» تعویض کرد.

حذف فرآیند جایگزینی باتری‌ها به‌واسطه شارژ بی‌سیم تجهیزات :
حسگر دما و رطوبت در باغ‌وحش پیترزبورگ و آکواریوم PPG (الف). این حسگر توسط شرکت intelliSensor ساخته شده و با استفاده از توان باتری هر دو دقیقه میزان دما، رطوبت و سایر اطلاعات را برای یک سرور ارسال می‌کند. در ابتدا این حسگر با استفاده از چهار عدد باتری با سایز AAA کار می‌کرد،‌اما این سیستم با دو گروه باتری قابل شارژ توسط مدار بی‌سیم شرکت Powercast جایگزین شد. مقایسه دو سیستم تأمین نیروی حسگر بیانگر این است که ترمینال شارژ بی‌سیم هیچ‌گونه کاهشی را در ولتاژ خروجی نشان نمی‌دهد، اما باتری‌ها دائم دچار افت ولتاژ می‌شوند (ب). گسیل‌گر در فاصله پنج متری و روی دیواری در نزدیکی سقف نصب شده است.

ولتاژ حاصل از این باتری‌های جدید که در پهنای باند نهصد مگاهرتز دائم شارژ می‌شدند با ولتاژ حاصل از باتری‌های قدیمی مقایسه شد. برای این کار، حسگر دما و رطوبت در هر دو دقیقه اطلاعات را برای سرور ارسال می‌کرد.   پس از گذشت هشتاد روز ولتاژ باتری‌های استاندارد به میزان ده درصد افت کرد، اما هیچ تغییری در ولتاژ باتری‌های قابل شارژ به وجود نیامد. توان الکتریکی توسط یک آنتن جهت‌دار از سقف طبقه دوم به فاصله پنج تا ده متر برای حسگر ارسال می‌شد.

کاربرد در حمل و نقل :

این سیستم فقط روی ماشین هایی کار میکند که نیروی محرک آن الکتریسیته باشد .

اگه سیستم برق بی سیم روی آن ها لحاظ بشود به این مزایا دست پیدا میکنند :

• رسیدن به انرژ های تجدید پذیر
• رسیدن به حمل نقل پاک
• کاهش زیرساخت های مورد نیاز
• از بین بردن سربار خطوط برق و کابل
• ادغام در سیستم موجود
• از بین بردن سیستم هایی که عاملشان کربن باشد
• گذار از بنزین به تمام برقی

ابتکار تویوتا :

Toyota Plans to Employ Angular Coil for Wireless Power Transmission (Dec.12.2012 )

آینده !!!