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transferencia de energía inalámbrica

Base de carga inductiva para smartphone como ejemplo de transferencia inalámbrica de campo cercano. Cuando el teléfono se coloca sobre la base, una bobina en la base crea un cam...

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Base de carga inductiva para smartphone 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 así su batería.

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 imposibles.

Las técnicas de transmisión inalámbrica de energía se dividen principalmente en dos categorías: campo cercano y campo lejano . [ 3 ] En las técnicas de campo cercano o no radiativas , la energía se transfiere a cortas distancias mediante campos magnéticos utilizando acoplamiento inductivo entre bobinas de alambre , o mediante campos eléctricos utilizando 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 , cocción por inducción y carga inalámbrica o transferencia continua de energía inalámbrica en dispositivos médicos implantables como marcapasos cardíacos artificiales o vehículos eléctricos . En las técnicas de campo lejano o radiativas , también llamadas transmisión de energía , la energía se transfiere mediante haces de radiación electromagnética , como microondas [ 8 ] o haces láser . Estas técnicas pueden transportar energía a distancias mayores, pero deben dirigirse al receptor. Las aplicaciones propuestas para este tipo incluyen satélites de energía solar y aeronaves no tripuladas alimentadas de forma inalámbrica . [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Un problema importante asociado con todos los sistemas de energía inalámbrica es limitar la exposición de las personas y otros seres vivos a campos electromagnéticos potencialmente dañinos. [ 12 ] [ 13 ]

Descripción general elemental

Diagrama de bloques genérico de un sistema de alimentación inalámbrica

La transferencia de energía inalámbrica es un término genérico para las tecnologías de transmisión de energía mediante campos electromagnéticos. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] Las tecnologías difieren en la distancia a la que pueden transferir energía de manera eficiente, en si el transmisor debe estar dirigido al receptor y en el tipo de energía electromagnética que utilizan: campos eléctricos variables en el tiempo, campos magnéticos, ondas de radio , microondas, infrarrojos u ondas de luz visible . [ 17 ]

En general, un sistema de energía inalámbrica consta de un dispositivo "transmisor" conectado a una fuente de energía, como una línea eléctrica , que convierte la energía en un campo electromagnético variable en el tiempo, y uno o más dispositivos "receptores" que reciben la energía y la convierten de nuevo en corriente eléctrica CC o CA que es utilizada por una carga eléctrica. [ 14 ] [ 17 ] En el transmisor, la energía de entrada se convierte en un campo electromagnético oscilante mediante algún tipo de dispositivo " antena ". La palabra "antena" se usa aquí de forma amplia; puede ser una bobina de alambre que genera un campo magnético, una placa de metal que genera un campo eléctrico, una antena que irradia ondas de radio o un láser que genera luz. Una antena 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 , [ 18 ] [ 19 ] otra tecnología conocida que implica energía eléctrica transmitida sin cables por campos electromagnéticos, utilizada en teléfonos celulares , radiodifusión 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 se pueda recibir inteligiblemente. [ 15 ] [ 18 ] [ 19 ] En las tecnologías de comunicación inalámbrica solo pequeñas cantidades de energía llegan al receptor. En cambio, 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. [ 15 ] Por esta razón, es probable que las tecnologías de energía inalámbrica estén más limitadas por la distancia que las tecnologías de comunicación inalámbrica.

La transferencia de energía inalámbrica puede utilizarse para alimentar transmisores o receptores de información inalámbricos. Este tipo de comunicación se conoce como comunicación alimentada inalámbricamente (WPC, por sus siglas en inglés).Cuando la energía recolectada se utiliza para alimentar transmisores de información inalámbricos, la red se conoce como Transferencia Simultánea de Información y Energía Inalámbrica (SWIPT); [ 20 ] mientras que cuando se utiliza para alimentar receptores de información inalámbricos, se conoce como Red de Comunicación Alimentada Inalámbricamente (WPCN). [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

Historia

Desarrollos del siglo XIX y callejones sin salida

El siglo XIX presenció numerosos 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. En 1831 , Michael Faraday describió, con su ley de inducción, que la fuerza electromotriz impulsaba una corriente en un bucle conductor mediante un flujo magnético variable en el tiempo. Muchos inventores y experimentadores observaron la transmisión de energía eléctrica sin cables, [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] pero la falta de una teoría coherente atribuyó vagamente estos fenómenos a la inducción electromagnética . [ 27 ] Una explicación concisa de estos fenómenos provendría de las ecuaciones de Maxwell de la década de 1860 [ 28 ] , de James Clerk Maxwell , estableciendo una teoría que unificaba la electricidad y el magnetismo en el electromagnetismo , prediciendo la existencia de ondas electromagnéticas como portadoras "inalámbricas" de energía electromagnética. Hacia 1884, John Henry Poynting definió el vector de Poynting y formuló el teorema de Poynting , que describe el flujo de potencia 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 ] Posteriormente, en 1888 , Heinrich Rudolf Hertz validó la teoría, aportando 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 basados ​​en la creencia errónea de que existía un estrato atmosférico electrificado accesible a baja altitud. [ 30 ] [ 31 ] Las patentes de ambos inventores señalaban que esta capa, conectada mediante una vía de retorno utilizando "corrientes terrestres", permitiría la telegrafía inalámbrica, así como el suministro de energía para el telégrafo, eliminando las baterías artificiales, y también podría utilizarse para iluminación, calefacción y energía motriz. [ 32 ] [ 33 ] Una demostración más práctica de la transmisión inalámbrica por conducción se presentó 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 demostró la transmisión inalámbrica mediante "inducción electrostática" durante una conferencia en el Columbia College en 1891. Las dos láminas de metal estaban conectadas a un oscilador de bobina de Tesla , que aplicaba corriente alterna de radiofrecuencia de alto voltaje . Un campo eléctrico oscilante entre las láminas ionizaba el gas a baja presión en los dos largos tubos de Geissler que sostenía en sus manos, provocando que brillaran de forma 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 donde 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 comercializar 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 inalámbrica de corto alcance. [ 35 ] [ 41 ]

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

Tesla desarrolló 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 de globos para suspender electrodos transmisores y receptores en el aire por encima de los 30 000 pies (9100 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, estableció 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 erróneamente [ 47 ] [ 34 ] que podía usar todo el globo de la Tierra para conducir energía eléctrica. La teoría incluía impulsar pulsos de corriente alterna hacia la Tierra a su frecuencia de resonancia desde una bobina de Tesla conectada a tierra que trabajaba contra una capacitancia elevada para hacer oscilar el potencial de la Tierra. Tesla pensó que esto permitiría recibir corriente alterna con una antena capacitiva similar sintonizada a resonancia con ella en cualquier punto de la Tierra con muy poca pérdida de potencia. [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] Sus observaciones también lo llevaron a creer que un alto voltaje utilizado en una bobina a una elevación de unos cientos de pies "rompería la capa de aire", eliminando la necesidad de kilómetros de cable colgando de globos para crear su circuito de retorno atmosférico. [ 51 ] [ 52 ] Tesla propondría al año siguiente un " Sistema Inalámbrico Mundial " que transmitiría información y energía a nivel mundial. [ 53 ] [ 54 ] En 1901, en Shoreham, Nueva York, intentó construir una gran estación de energía inalámbrica de alto voltaje, ahora llamada Torre Wardenclyffe , pero en 1904 la inversión se agotó y la instalación nunca se completó. 

Desarrollos de la posguerra

Antes de la Segunda Guerra Mundial, se había avanzado poco 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 dispersaban en todas direcciones y poca energía llegaba 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, se requerían transmisores que pudieran generar microondas de mayor frecuencia , las cuales 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 algunos métodos radiativos ( de campo lejano ) fueran prácticos por primera vez, y la primera transmisión inalámbrica de energía a larga distancia se logró en la década de 1960 por William C. Brown . [ 28 ] En 1964, Brown inventó la rectena que podía convertir eficientemente las microondas en energía de CC, y en 1964 la demostró con la primera aeronave alimentada de forma inalámbrica, un helicóptero modelo alimentado por microondas transmitidas desde tierra. [ 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 variables en el tiempo sí pueden transportar potencia. [ 57 ] Las cargas eléctricas aceleradas, como las que se encuentran en una corriente alterna (CA) de electrones en un cable, crean campos eléctricos y magnéticos variables en 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 de un lado a otro. Esto representa la corriente alterna que se puede usar 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. [ 14 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] El límite entre las regiones está definido de forma algo imprecisa. [ 17 ] Los campos tienen características diferentes en estas regiones, y se utilizan diferentes tecnologías para la transferencia de potencia:

  • Región de campo cercano o no radiativa : Esto significa el área dentro de aproximadamente 1 longitud de onda ( λ ) de la antena. [ 14 ] [ 59 ] [ 60 ] En esta región los campos eléctricos y magnéticos oscilantes están separados [ 18 ] y la potencia puede transferirse 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. [ 15 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 58 ] Estos campos no son radiativos , [ 60 ] lo que significa que la energía permanece dentro de una corta distancia del transmisor. [ 62 ] Si no hay un dispositivo receptor o material absorbente dentro de su rango limitado para "acoplarse", no sale potencia del transmisor. [ 62 ] El alcance de estos campos es corto y depende del tamaño y la forma de los dispositivos de "antena", que suelen ser bobinas de alambre. Los campos, y por lo tanto la potencia transmitida, disminuyen exponencialmente con la distancia, [ 59 ] [ 61 ] [ 63 ] así que si la distancia entre las dos "antenas" D alcance es mucho mayor que el diámetro de las "antenas" D ant se recibirá muy poca potencia. Por lo tanto, estas técnicas no se pueden utilizar para la transmisión de potencia a larga distancia. La resonancia , como el acoplamiento inductivo resonante , puede aumentar considerablemente el acoplamiento entre las antenas, permitiendo una transmisión eficiente a distancias algo mayores, [ 14 ] [ 18 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 64 ] [ 65 ] aunque los campos siguen disminuyendo exponencialmente. Por lo tanto, el alcance de los dispositivos de campo cercano se divide convencionalmente en dos categorías:
    • Alcance corto : hasta aproximadamente un diámetro de antena: D alcance ≤ D ant . [ 62 ] [ 64 ] [ 66 ] Este es el rango sobre el cual el acoplamiento capacitivo o inductivo no resonante ordinario puede transferir cantidades prácticas de potencia.
    • Rango medio : hasta 10 veces el diámetro de la antena: rango D ≤ 10 D ant . [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] Este es el rango sobre el cual el acoplamiento capacitivo o inductivo resonante puede transferir cantidades prácticas de potencia.
  • Región de campo lejano o radiativa : Más allá de aproximadamente 1 longitud de onda ( λ ) de la antena, los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y se propagan como una onda electromagnética ; ejemplos son las ondas de radio , las microondas o las ondas de luz . [ 14 ] [ 58 ] [ 59 ] Esta parte de la energía es radiativa , [ 60 ] lo que significa que sale de la antena haya o no un receptor que la absorba. La porción de energía que no llega a la antena receptora se disipa y se pierde en el sistema. La cantidad de potencia emitida como ondas electromagnéticas por una antena depende de la relación entre el tamaño de la antena D ant y la longitud de onda de las ondas λ , [ 68 ] que está determinada por la frecuencia: λ = c/f . A bajas frecuencias f, donde la antena es mucho más pequeña que el tamaño de las ondas, D ant << λ , se irradia muy poca potencia. Por lo tanto, los dispositivos de campo cercano, que utilizan frecuencias más bajas, irradian casi nada de su energía como radiación electromagnética. Las antenas de tamaño similar a la longitud de onda D ant ≈ λ, como las antenas monopolo o dipolo , irradian potencia de manera eficiente, pero las ondas electromagnéticas se irradian en todas direcciones ( omnidireccionalmente ), por lo que si la antena receptora está lejos, solo una pequeña cantidad de radiación la alcanzará. [ 60 ] [ 64 ] Por lo tanto, estas pueden usarse para la transmisión de potencia ineficiente de corto alcance, pero no para la transmisión de largo alcance. [ 69 ] Sin embargo, a diferencia de los campos, la radiación electromagnética puede enfocarse mediante reflexión o refracción en haces. Al usar una antena de alta ganancia o un sistema óptico que concentre la radiación en un haz estrecho dirigido al receptor, se puede usar para la transmisión de potencia de largo alcance. [ 64 ] [ 69 ] 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 . [ 70 ] Los dispositivos prácticos de potencia de haz requieren longitudes de onda en la región de centímetros o menores, correspondientes a frecuencias superiores a 1  GHz, en el rango de microondas o superior. [ 14 ]

Técnicas de campo cercano (no radiativas)

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 rango / D ant ) −3 [ 61 ] [ 74 ] Dado que la potencia es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo, la potencia transferida disminuye como ( D rango / D ant ) −6 . [ 18 ] [ 63 ] [ 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 se produce cuando las antenas dipolo están orientadas transversalmente a la dirección de propagación, en los campos dipolo el acoplamiento máximo se produce cuando los dipolos están orientados longitudinalmente.

Acoplamiento inductivo

Prototipo de sistema de carga inductiva para coches eléctricos en el Salón del Automóvil de Tokio de 2011.
Puntos de carga inductiva Powermat en una cafetería. Los clientes pueden colocar sus teléfonos y computadoras sobre ellos para recargarlos.
Tarjeta de acceso alimentada de forma inalámbrica.
GM EV1 y Toyota RAV4 EV cargándose por inducción en una estación Magne Charge ahora obsoleta.
Izquierda: Transferencia de energía inductiva moderna, un cargador de cepillo de dientes eléctrico. Una bobina en el soporte produce un campo magnético que induce una corriente alterna en una bobina del cepillo de dientes, la cual se rectifica para cargar las baterías. Derecha: Bombilla alimentada inalámbricamente por inducción, en 1910.
Diagrama de bloques genérico de un sistema de alimentación inalámbrica inductiva.

En el acoplamiento inductivo ( inducción electromagnética [ 58 ] [ 77 ] o transferencia de potencia inductiva , TPI), la potencia se transfiere entre bobinas de alambre mediante un campo magnético . [ 18 ] Las bobinas transmisora ​​y receptora juntas forman un transformador . [ 18 ] [ 58 ] Una corriente alterna (CA) a través de la bobina transmisora ​​(L1) crea un campo magnético oscilante (B) según la ley de Ampère . El campo magnético pasa a través de la bobina receptora (L2) , donde induce una fuerza electromotriz (FEM) alterna ( voltaje ) según la ley de inducción de Faraday , que crea una corriente alterna en el receptor. [ 15 ] [ 77 ] La ​​corriente alterna inducida puede alimentar la carga directamente o ser rectificada a corriente continua (CC) por un rectificador en el receptor, que alimenta la carga. Algunos sistemas, como las bases de carga para cepillos de dientes eléctricos, funcionan a 50/60  Hz, por lo que la corriente alterna de la red eléctrica se aplica directamente a la bobina transmisora, pero en la mayoría de los sistemas un oscilador electrónico genera una corriente alterna de mayor frecuencia que acciona la bobina, ya que la eficiencia de transmisión mejora con la frecuencia . [ 77 ]

El acoplamiento inductivo es la tecnología de energía inalámbrica más antigua y de mayor uso, y prácticamente la única que se utiliza hasta ahora en productos comerciales. Se emplea en soportes de carga inductiva para aparatos inalámbricos utilizados en ambientes húmedos, como cepillos de dientes eléctricos [ 58 ] 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 atraviesen la piel. [ 79 ] [ 80 ] También se utiliza para cargar vehículos eléctricos, como automóviles, y para cargar o alimentar vehículos de transporte público, como autobuses y trenes. [ 58 ]

Sin embargo, el uso de mayor crecimiento son las bases de carga inalámbrica para recargar dispositivos móviles y portátiles inalámbricos, como ordenadores portátiles y tabletas , ratones de ordenador , teléfonos móviles , reproductores multimedia digitales y mandos de videojuegos . En Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) otorgó su primera certificación para un sistema de carga por transmisión inalámbrica en diciembre de 2017. [ 81 ]

La potencia transferida aumenta con la frecuencia [ 77 ] y la inductancia mutuaMETRO{\displaystyle M}entre las bobinas, [ 15 ] que depende de su geometría y la distanciaDrango{\displaystyle D_{\text{rango}}}entre ellos. Un indicador de mérito ampliamente utilizado es el coeficiente de acoplamiento.k=METRO/L1L2{\displaystyle k\;=\;M/{\sqrt {L_{1}L_{2}}}}[ 77 ] [ 82 ] Este parámetro adimensional es igual a la fracción del flujo magnético a través de la bobina transmisora .L1{\displaystyle L1}que pasa a través de la bobina receptoraL2{\displaystyle L2}cuando L2 está en circuito abierto. Si las dos bobinas están en el mismo eje y cerca una de la otra, todo el flujo magnético deL1{\displaystyle L1}pasa porL2{\displaystyle L2},k=1{\displaystyle k=1}y la eficiencia del enlace se acerca al 100%. Cuanto mayor sea la separación entre las bobinas, mayor será la cantidad de campo magnético de la primera bobina que no llega a la segunda, y menor será la eficiencia del enlace.k{\displaystyle k}y la eficiencia del enlace se aproxima a cero en grandes separaciones. [ 77 ] La eficiencia del enlace y la potencia transferida son aproximadamente proporcionales ak2{\displaystyle k^{2}}. [ 77 ] Para lograr una alta eficiencia, las bobinas deben estar muy cerca unas de otras, una fracción del diámetro de la bobina.Dhormiga{\displaystyle D_{\text{hormiga}}}, [ 77 ] generalmente dentro de centímetros, [ 69 ] con los ejes de las bobinas alineados. Generalmente se utilizan bobinas anchas y planas para aumentar el acoplamiento. [ 77 ] Los núcleos de ferrita de "confinamiento de flujo" pueden confinar los campos magnéticos, mejorando el acoplamiento y reduciendo la interferencia a los dispositivos electrónicos cercanos, [ 77 ] [ 79 ] pero son pesados ​​y voluminosos, por lo que los dispositivos inalámbricos pequeños a menudo utilizan bobinas de núcleo de aire.

El acoplamiento inductivo convencional solo alcanza una alta eficiencia cuando las bobinas están muy cerca, generalmente adyacentes. En la mayoría de los sistemas inductivos modernos se utiliza el acoplamiento inductivo resonante , en el que la eficiencia se incrementa mediante el uso de circuitos resonantes . [ 60 ] [ 65 ] [ 77 ] [ 28 ] Esto permite alcanzar altas eficiencias a mayores distancias que el acoplamiento inductivo no resonante.

Acoplamiento inductivo resonante

El acoplamiento inductivo resonante ( acoplamiento electrodinámico , [ 58 ] resonancia magnética fuertemente acoplada [ 64 ] ) es una forma de acoplamiento inductivo en la 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. [ 18 ] [ 58 ] [ 60 ] [ 78 ] [ 28 ] Cada circuito resonante consta de una bobina de alambre 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 considerablemente el acoplamiento y la transferencia de potencia, de forma análoga a como 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 alrededor del cambio de siglo XX, [ 38 ] [ 35 ] [ 39 ] pero las posibilidades de usar el acoplamiento resonante para aumentar el alcance de transmisión se han explorado solo recientemente. [ 83 ] En 2007, un equipo dirigido por Marin Soljačić en el MIT usó dos circuitos sintonizados acoplados, cada uno hecho de una  bobina de alambre autorresonante de 25 cm a 10  MHz para lograr la transmisión de 60 W de potencia a una distancia de 2 metros (6,6 pies) (8 veces el diámetro de la bobina) con una eficiencia de alrededor del 40 %. [ 58 ] [ 64 ] [ 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 que la que pierden debido a la amortiguación interna . [ 64 ] Por lo tanto, al usar la resonancia, se puede transferir la misma cantidad de potencia a mayores distancias, utilizando los campos magnéticos mucho más débiles en las regiones periféricas ("colas") de los campos cercanos. [ 64 ] El acoplamiento inductivo resonante puede lograr una alta eficiencia en rangos de 4 a 10 veces el diámetro de la bobina ( D ant ). [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] Esto se llama transferencia de "rango medio", [ 66 ] en contraste con el "corto alcance" 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 objetos no resonantes, por lo que las pérdidas de potencia debido a la absorción en objetos cercanos dispersos son despreciables. [ 60 ] [ 64 ]

Una desventaja de la teoría del acoplamiento resonante es que, a corta distancia, cuando los dos circuitos resonantes están fuertemente acoplados, la frecuencia resonante del sistema deja de ser constante y se divide en dos picos resonantes, [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] por lo que la transferencia de potencia máxima ya no se produce en la frecuencia resonante original y la frecuencia del oscilador debe ajustarse al nuevo pico resonante. [ 65 ] [ 88 ]

La tecnología resonante se está incorporando ampliamente en los sistemas modernos de alimentación inalámbrica inductiva. [ 77 ] Una de las posibilidades que se contemplan para esta tecnología es la cobertura de alimentación inalámbrica en áreas extensas. Una bobina en la pared o el techo de una habitación podría 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 pequeños dispositivos 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 residuos tóxicos y contaminación de las aguas subterráneas. [ 69 ]

Un estudio realizado para el ejército sueco descubrió que  los sistemas de 85 kHz para la transferencia dinámica de energía inalámbrica en 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 ] [ 15 ] [ 5 ] [ 7 ] entre electrodos [ 6 ] como placas metálicas. Los electrodos transmisor y receptor forman un capacitor , con el espacio intermedio como dieléctrico . [ 6 ] [ 15 ] [ 18 ] [ 58 ] [ 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, [ 15 ] [ 91 ] lo que provoca 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. [ 15 ]

Sistemas de alimentación inalámbrica capacitiva
Acoplamiento bipolar
Acoplamiento monopolar

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 potencia significativa pueden ser peligrosos, [ 18 ] [ 58 ] y pueden causar efectos secundarios desagradables como la producción de ozono nocivo . Además, a diferencia de los campos magnéticos, [ 64 ] 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. [ 18 ] 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 ferrita pesados ​​de "confinamiento de flujo". [ 15 ] [ 79 ] Además, los requisitos de alineación entre el transmisor y el receptor son menos críticos. [ 15 ] [ 18 ] [ 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 circuitos:

  • 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 en fase opuesta en las placas receptoras, y esta acción de "empuje-tracción" provoca que la corriente fluya de un lado a otro entre las placas a través de la carga. Una desventaja de esta configuración para la carga inalámbrica es que las dos placas del dispositivo receptor deben estar alineadas cara a cara con las placas del cargador para que el dispositivo funcione. [ 16 ]
  • Diseño longitudinal (unipolar): [ 15 ] [ 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 sirve como ruta 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 de carga alterno en el dipolo de carga a través de la inducción electrostática . [ 95 ]

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

transferencia de energía inalámbrica electrodinámica

Un sistema de transferencia de energía inalámbrica electrodinámica (EWPT) utiliza un receptor con un imán permanente mecánico resonante o giratorio. [ 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/inductivo , piezoeléctrico o capacitivo ). [ 98 ] [ 99 ] A diferencia de los sistemas de acoplamiento inductivo que suelen utilizar campos magnéticos de alta frecuencia, el EWPT utiliza campos magnéticos de baja frecuencia (<1  kHz), [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] que pasan de forma segura a través de medios conductores y tienen límites de exposición al campo humano más altos (~2 mTrms a 1  kHz), [ 103 ] [ 104 ] lo que demuestra su potencial uso en la recarga inalámbrica de implantes biomédicos . Para dispositivos EWPT con frecuencias de resonancia idénticas, la magnitud de la transferencia de potencia depende completamente del coeficiente de acoplamiento crítico, denotado pork{\displaystyle k}, entre los dispositivos transmisor y receptor. Para resonadores acoplados con las mismas frecuencias de resonancia, la transferencia de energía inalámbrica entre el transmisor y el receptor se extiende sobre tres regímenes: subacoplado, acoplado críticamente y sobreacoplado. A medida que el coeficiente de acoplamiento crítico aumenta desde un régimen subacoplado (k<kdorit{\displaystyle k<k_{crit}}) al régimen acoplado crítico, la curva de ganancia de voltaje óptima aumenta en magnitud (medida en el receptor) y alcanza su máximo cuandok=kdorit{\displaystyle k=k_{crit}}y luego entra en el régimen de acoplamiento excesivo dondek>kdorit{\displaystyle k>k_{crit}}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 de la fuente y el receptor. [ 106 ] [ 107 ]

Acoplamiento magnetodinámico

En este método, la potencia se transmite entre dos armaduras giratorias , una en el transmisor y otra en el receptor, que giran síncronamente, acopladas entre sí por un campo magnético generado por imanes permanentes en las armaduras. [ 71 ] La armadura del transmisor gira, ya sea mediante o como rotor de un motor eléctrico , y su campo magnético ejerce un par sobre la armadura del receptor, haciéndola girar. El campo magnético actúa como un acoplamiento mecánico entre las armaduras. [ 71 ] La armadura del receptor produce potencia para accionar la carga, ya sea haciendo girar un generador eléctrico independiente 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 . [ 71 ] Una armadura giratoria incrustada en el piso o bordillo de un garaje haría girar una armadura receptora en la parte inferior del vehículo para cargar sus baterías. [ 71 ] Se afirma que esta técnica puede transferir energía a distancias de 10 a 15  cm (4 a 6 pulgadas) con alta eficiencia, superior al 90%. [ 71 ] [ 108 ] Además, los campos magnéticos parásitos de baja frecuencia producidos por los imanes giratorios generan menos interferencia electromagnética en los dispositivos electrónicos cercanos que los campos magnéticos de alta frecuencia producidos por los sistemas de acoplamiento inductivo. Un prototipo del sistema de carga de vehículos eléctricos ha estado en funcionamiento en la Universidad de Columbia Británica desde 2012. Sin embargo, otros investigadores afirman que las dos conversiones de energía (eléctrica a mecánica y de nuevo a eléctrica) hacen que el sistema sea menos eficiente que los sistemas eléctricos como el acoplamiento inductivo. [ 71 ]

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 potencia a través de obstáculos metálicos. [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] Aquí la idea es excitar una oscilación de carga localizada en la interfaz metal-aire, y los modos resultantes se propagan a lo largo de la interfaz metal-aire. [ 109 ]

Técnicas de campo lejano (radiativas)

Los métodos de campo lejano alcanzan 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 ajustarse a la forma del área receptora. La directividad máxima de las antenas está limitada físicamente por la difracción .

En general, la luz visible (procedente de láseres) y las microondas (procedentes 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 determinadas por la distancia entre el transmisor y el receptor , la longitud de onda y el criterio de Rayleigh o límite de difracción, utilizado en el diseño estándar de antenas de radiofrecuencia , que también se aplica a los láseres. El límite de difracción de Airy se utiliza frecuentemente para determinar un tamaño de punto aproximado a una distancia arbitraria de la apertura . La radiación electromagnética experimenta menor difracción a longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas); por lo tanto, 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 aplicaba a la resolución de imágenes, puede interpretarse a la inversa e indica que la irradiancia (o intensidad ) de cualquier onda electromagnética (como una microondas o un haz láser) se reduce a medida que el haz diverge con 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 del láser y la longitud de onda de la radiación, mayor será la concentración de la radiación en un haz compacto .

La transmisión de energía mediante microondas puede ser más eficiente que la de los láseres y es menos propensa a la atenuación atmosférica causada por el polvo o los aerosoles, como la niebla.

Aquí, los niveles de potencia se calculan combinando los parámetros y sumando las ganancias y pérdidas debidas a las características de la antena y a la transparencia y dispersión del medio por el que pasa la radiación. Este proceso se conoce como cálculo del presupuesto de 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 mediante ondas de radio puede hacerse más direccional, permitiendo 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 rectena para convertir la energía de microondas de nuevo en electricidad. Se han logrado eficiencias de conversión de rectena superiores al 95 %. 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 abandonan 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 la difracción que 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 rectena receptora de 10 kilómetros de diámetro (6,2 mi) para un haz de microondas a 2,45 GHz . [ 115 ] Estos tamaños pueden reducirse un poco utilizando longitudes de onda más cortas, aunque las longitudes de onda cortas pueden tener dificultades con la absorción atmosférica y el bloqueo del haz por la lluvia o las gotas de agua. Debido a la " maldición de la matriz adelgazada ", no es posible hacer un haz más estrecho combinando los haces de varios satélites más pequeños.   

Para aplicaciones terrestres, un conjunto receptor de gran superficie (10  km de diámetro) permite utilizar altos niveles de potencia total, manteniendo la baja densidad de potencia recomendada 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 presente en muchas centrales eléctricas modernas. En comparación, una planta solar fotovoltaica de tamaño similar podría superar fácilmente los 10 000 megavatios en las mejores condiciones durante el día.

Tras la Segunda Guerra Mundial, durante la cual 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 demostró un helicóptero en miniatura propulsado por energía de microondas. [ 116 ]

El investigador japonés Hidetsugu Yagi también investigó la transmisión inalámbrica de energía utilizando una antena de matriz direccional que él mismo diseñó. En febrero de 1926, Yagi y su colega Shintaro Uda publicaron su primer artículo sobre la matriz direccional de alta ganancia sintonizada, ahora conocida como antena Yagi . Si bien no resultó particularmente útil para la transmisión de energía, esta antena direccional 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 ampliamente demostrada. Se han realizado experimentos de decenas de kilovatios en el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo de Goldstone en California en 1975 [ 118 ] [ 119 ] [ 55 ] y más recientemente (1997) en Grand Bassin en la Isla Reunión . [ 120 ] Estos métodos alcanzan distancias del orden de un kilómetro.

En condiciones experimentales, se midió una eficiencia de conversión de microondas de alrededor del 54% en 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 inalámbrica de energía mediante antenas de matriz en fase puede suministrar energía eléctrica hasta a 30 pies de distancia. Utiliza las mismas frecuencias de radio que el WiFi. [ 122 ] [ 123 ]

En 2015, investigadores de la Universidad de Washington presentaron la transmisión de energía a través de Wi-Fi, que permite la carga lenta de baterías y alimenta cámaras y sensores de temperatura sin batería mediante transmisiones de enrutadores Wi-Fi. [ 124 ] [ 125 ] Se demostró que las señales Wi-Fi podían alimentar sensores de temperatura y cámaras sin batería a distancias de hasta 6 metros (20 pies). También se demostró que Wi-Fi puede utilizarse para la carga lenta inalámbrica de baterías de níquel-metal hidruro y de iones de litio tipo botón a distancias de hasta 8,5 metros (28 pies).

En 2017, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) certificó el primer transmisor de radiofrecuencia (RF) de campo medio para la transmisión inalámbrica de energía. [ 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 diseñado para pequeños dispositivos IoT, como diversos sensores, rastreadores, detectores y monitores. [ 127 ]

Láseres

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

La energía se puede transmitir convirtiendo la electricidad en un haz láser que se recibe y concentra en células fotovoltaicas (células solares). [ 128 ] [ 129 ] Aprovecha la radiación electromagnética cercana a la región visible (de 0,2 a 2 micrómetros ). Este mecanismo se conoce generalmente como «transmisión de energía» porque la energía se dirige a un receptor que puede convertirla en energía eléctrica. En el receptor, se utilizan convertidores de potencia optimizados para la conversión de luz monocromática. [ 130 ]

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

  • Distancia: La propagación de frentes de onda monocromáticos colimados permite una sección transversal del haz estrecha para la transmisión a grandes distancias. Como resultado, la reducción de potencia es mínima o nula a mayor distancia entre el transmisor y el receptor.
  • Tamaño: los láseres de estado sólido se adaptan a formatos pequeños.
  • Interferencias: Evita las interferencias de radiofrecuencia en las comunicaciones de radio existentes, como Wi-Fi y teléfonos celulares.
  • Acceso: solo los receptores alcanzados por el láser reciben energía.

Entre sus desventajas se incluyen:

  • Peligros: Sin un mecanismo de seguridad, incluso niveles de potencia bajos pueden cegar a humanos y otros animales. Los niveles de potencia altos pueden causar la muerte por calentamiento localizado.
  • Eficiencia: La eficiencia de conversión óptica a eléctrica de las células fotovoltaicas es limitada. Sin embargo, los convertidores de potencia han demostrado eficiencias de hasta el 68,9 % [ 132 ].
  • Condiciones meteorológicas: La absorción atmosférica, así como la absorción y dispersión por nubes, niebla, lluvia, etc., provocan pérdidas de hasta el 100%.
  • Acceso: Requiere conexión visual directa con el objetivo o transmisión mediante fibra óptica .

La tecnología de transmisión de energía se ha explorado en aplicaciones militares [ 133 ] [ 134 ] [ 135 ] y aeroespaciales [ 136 ] [ 137 ] . También alimenta sensores en entornos industriales y para electrónica comercial y de consumo . Los sistemas de transferencia de energía inalámbrica que utilizan láseres para el sector de consumo deben cumplir con los requisitos de seguridad láser estandarizados en la norma IEC 60825. [ 138 ]

El primer sistema de alimentación 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 alimentación inalámbrica cumplía con las normas de seguridad y está aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA). [ 139 ]

Otros problemas incluyen la propagación , [ 140 ] y la coherencia y el problema de la limitación del alcance . [ 141 ]

El Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA demostró un modelo de avión no tripulado impulsado por un rayo láser, [ 142 ] demostrando la viabilidad de la recarga láser periódica.

Científicos de la Academia China de Ciencias desarrollaron una prueba de concepto para utilizar un láser de doble longitud de onda para cargar de forma inalámbrica dispositivos portátiles o UAV. [ 143 ]

En 2025, DARPA anunció la transmisión de 800 vatios durante 30 segundos a una distancia de 5,3 millas (8,6 km) con una eficiencia del 20 %, superando los resultados anteriores de transmisión de 230 vatios a través de una milla (1,7 km) durante 25 segundos utilizando su Power Receiver Array Demo (PRAD). [ 144 ]

Acoplamiento del canal 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. [ 145 ] Cuando existe un gradiente de campo eléctrico entre los dos electrodos, que supera los 34 kilovoltios por centímetro a presión atmosférica a nivel del mar, se produce un arco eléctrico. [ 146 ] 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 está llevando a cabo una investigación 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 trayectoria específica de manera controlable. [ 147 ] 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 (pag{\displaystyle p}) del filamento de aire. [ 148 ]

Este nuevo proceso se está explorando para su uso como pararrayos láser y como medio para provocar rayos desde las nubes para estudios de canales de rayos naturales, [ 149 ] para estudios de propagación atmosférica artificial, como sustituto de antenas de radio convencionales, [ 150 ] para aplicaciones asociadas con soldadura y mecanizado eléctrico, [ 151 ] [ 152 ] para desviar energía de descargas de condensadores de alto voltaje, para aplicaciones de armas de energía dirigida que emplean conducción eléctrica a través de una ruta de retorno a tierra, [ 153 ] [ 154 ] [ 155 ] [ 156 ] y interferencia electrónica . [ 157 ]

Recolección de energía

En el contexto de la energía inalámbrica, la recolección de energía , también llamada captación de energía o aprovechamiento de energía , es la conversión de la energía ambiental del entorno en energía eléctrica, principalmente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos inalámbricos autónomos. [ 158 ] 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. [ 158 ] Aunque la eficiencia de conversión suele ser baja y la potencia recolectada a menudo minúscula (milivatios o microvatios), [ 158 ] puede ser suficiente para alimentar o recargar pequeños dispositivos inalámbricos de micropotencia, como sensores remotos , que proliferan en muchos campos. [ 158 ] Esta nueva tecnología se está desarrollando para eliminar la necesidad de reemplazar o cargar baterías de dichos dispositivos inalámbricos, permitiéndoles operar de forma completamente autónoma. [ 159 ] [ 160 ]

Usos

La transferencia de energía inductiva entre bobinas de alambre cercanas fue la primera tecnología de energía inalámbrica que se desarrolló, existiendo desde que se desarrolló el transformador en el siglo XIX. El calentamiento por inducción se ha utilizado desde principios del siglo XX y se emplea para cocinar por inducción . [ 161 ]

Con la llegada de los dispositivos inalámbricos , se han desarrollado bases de carga por inducción para aparatos utilizados en ambientes húmedos, como cepillos de dientes eléctricos y maquinillas de afeitar eléctricas , para eliminar el riesgo de descarga eléctrica. Una de las primeras aplicaciones propuestas de la transferencia inductiva fue la alimentación de locomotoras eléctricas. En 1892, Maurice Hutin y Maurice Leblanc patentaron un método inalámbrico para alimentar trenes ferroviarios mediante bobinas resonantes acopladas inductivamente a un cable de vía a 3  kHz. [ 162 ]

A principios de la década de 1960, la transferencia de energía inalámbrica inductiva resonante se utilizó con éxito en dispositivos médicos implantables [ 163 ] , incluyendo marcapasos y corazones artificiales. Si bien los primeros sistemas utilizaban una bobina receptora resonante, los sistemas posteriores [ 164 ] también implementaron bobinas transmisoras resonantes. Estos dispositivos médicos están diseñados para una alta eficiencia mediante electrónica de bajo consumo, a la vez que se adaptan eficazmente a cierta desalineación y torsión dinámica de las bobinas. La separación entre las bobinas en aplicaciones implantables suele ser inferior a 20  cm. Actualmente, la transferencia de energía inductiva resonante se utiliza habitualmente para suministrar energía eléctrica en muchos dispositivos médicos implantables disponibles comercialmente. [ 165 ]

Las primeras tecnologías RFID (Identificación por Radiofrecuencia) pasivas fueron inventadas por Mario Cardullo [ 166 ] (1973) y Koelle et al. [ 167 ] (1975) y en la década de 1990 se utilizaban en tarjetas de proximidad y tarjetas inteligentes sin contacto .

La proliferación de dispositivos de comunicación inalámbrica portátiles, como teléfonos móviles , tabletas y ordenadores portátiles en las últimas décadas, está impulsando actualmente el desarrollo de tecnología de alimentación y carga inalámbrica de alcance medio para eliminar la necesidad de que estos dispositivos estén conectados a enchufes de pared durante la carga. [ 168 ] El Wireless Power Consortium se estableció en 2008 para desarrollar estándares interoperables entre fabricantes. [ 168 ] Su estándar de alimentación inductiva Qi , publicado en agosto de 2009, permite la carga y alimentación de alta eficiencia de dispositivos portátiles de hasta 5 vatios a distancias de 4  cm (1,6 pulgadas). [ 169 ] El dispositivo inalámbrico se coloca sobre una placa de carga plana (que puede estar integrada en las mesas de las cafeterías, por ejemplo) y la energía se transfiere de una bobina plana en el cargador a una similar en el dispositivo. En 2007, un equipo liderado por Marin Soljačić en el MIT utilizó un transmisor de doble resonancia con una  bobina secundaria de 25 cm de diámetro sintonizada a 10  MHz para transferir 60 W de potencia a un receptor de doble resonancia 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 Nevada Lightning Lab utilizó un transmisor de doble resonancia conectado a tierra con un  secundario de 57 cm de diámetro sintonizado a 60  kHz y un receptor de doble resonancia conectado a tierra similar para transferir energía a través de campos eléctricos acoplados con un circuito de retorno de corriente a tierra a una distancia de 12 metros (39 pies) . [ 170 ] En 2011, el Dr. Christopher A. Tucker y el profesor Kevin Warwick de la Universidad de Reading recrearon en miniatura la patente 0,645,576 de Tesla de 1900 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%. [ 171 ]    

Una motivación importante para la investigación de microondas en las décadas de 1970 y 1980 fue desarrollar un satélite para energía solar espacial . [ 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 . [ 172 ] 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%. [ 173 ] En el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, él y Robert Dickinson transmitieron 30  kW de potencia de salida de CC a través de 1,5  km con  microondas de 2,38 GHz desde un plato 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%. [ 174 ] En 1983, Japón lanzó el Experimento de Interacción No Lineal de Microondas en la Ionosfera (MINIX), un experimento con cohetes para probar la transmisión de microondas de alta potencia a través de la ionosfera.

En los últimos años, un foco de investigación ha sido el desarrollo de aeronaves no tripuladas alimentadas de forma inalámbrica, 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 . Impulsado por una rectena, podía volar a 13 millas (21  km) de altitud y permanecer en el aire durante meses. En 1992, un equipo de la Universidad de Kioto construyó una aeronave más avanzada llamada MILAX (MIcrowave Lifted Airplane eXperiment).

En 2003, la NASA realizó el primer vuelo de una aeronave propulsada por láser. El motor de este pequeño modelo de avión se alimentaba de electricidad generada por fotocélulas a partir de un haz de luz infrarroja procedente de un láser terrestre, mientras que un sistema de control mantenía el láser apuntando hacia el avión.

Véase también

Referencias

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