انتقال برق بدون سیم

این گروه نام ابداع خود را WiTricity مخفف شده واژه های وایرلس و الکتریسیته گذاشته اند. ایده این طرح توسط یکی از مهندسان این طرح به نام Soljacic شکل گرفت. وی می گوید یک شب که صدای هشدار زنگ تلفن همراه را شنیدم و به دستگاه شارژر هم دسترسی نداشتم به این فکر کردم که ای کاش راهی بود تا بتوانم موبایلم را بدون ارتباط سیمی شارژ کنم.

متخصصان این طرح راه های مختلفی را برای انتقال الکتریسیته بدون اتصال فیزیکی آزموده اند. این گروه روش پرتوافشانی الکترومغناطیس را به عنوان روش اصلی مد نظر قرارداند که چیزی شبیه انتشار امواج رادیویی است.  با این حال این روش هر چند برای انتشار اطلاعات و دیتا مناسب می باشد اما برای انتشار الکترومغناطیس دشواری های فراوانی به همراه داشت.  متخصصان MIT می گویند که با استفاده از قوانین فیزیک به چنین نوآوری دست پیدا کرده اند این موضوع به خصوص از آن جهت جالب است که بسیاری می پنداشتند قوانین فیزیک قدیمی شده و برای نوآوری های جدید به کار نمی آید.

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 واردن‌ کلیف در لانگ‌ آیلند 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، دریافتند که هیچ راه عملی وجود ندارد تا بتوان مطمئن شد، مردم پول برقی را که از آن استفاده می‌کنند بپردازند، در عوض شبکه برق سیمی گسترش یافت.

انتقال بی‌سیم دوباره در دهه 1960 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. 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.

شرکت پاورکست که در پیتزبورگ پنسیلوانیا مستقر است، به تازگی از این فناوری برای انتقال نیرویی در حد میکرو وات و یا میلی‌ وات در فواصل بیش از 15 متر برای حسگرهای صنعتی استفاده کرده است.  آن ها 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 پرمصرف‌ تر، تاباندن یک پرتو لیزر فروسرخ تنظیم شده به یک سلول فتوولتائیک است که پرتو را به انرژی الکتریکی بازتبدیل می‌کند. این رویکردی است که شرکتPowerBeam  واقع در سن ‌خوزه کالیفرنیا انتخاب کرده است، ولی تا کنون بازدهی آن تنها بین 15 و 30 درصد بوده است. درست است که می‌توان از این روش برای تامین نیروی دستگاه‌های پرمصرف‌ تر استفاده کرد، ولی در عمل تلفات زیادی دارد. این فناوری برای تامین نیروی لامپ‌های بی‌سیم، بلندگوها و ابزارهای الکترونیک با مصرف برق کمتر از 10 وات به کار رفته است. در طول زمان و با ارتقای فناوری لیزر و سلول‌های فتوولتائیک، شرکت امیدوار است که بازدهی بالاتر از 50 درصد هم امکان پذیر شود. گراهام می‌گوید: (هیچ دلیلی وجود ندارد که ما نتوانیم در نهایت یک لپ تاپ 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 طولانی محسوب نمی‌شود).

پرتوهای دردسرساز

دیگران نسبت به عملی بودن این روش برای ابزارهای واقعا قابل حمل خوشبین نیستند، ابزاری که دائما درون و میان 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 MIT 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 جذاب‌ ترین انتخاب برای کاربرد‌های بزرگ محلی است. یک میدان مغناطیسی متناوب که از یک کویل ناشی می‌شود 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. ولی مشکل اینجا است که به رغم اینکه درست در مجاورت کویل، بازدهی دستگاه خیلی خوب است ولی وقتی که حتی تنها چند میلیمتر فاصله وجود داشته باشد، این بازدهی به صفر می ‌رسد.

این اصل شناخته شده‌ای است که در صورتی که دو شی 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 طولانی ‌تر 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.

آن ها نظریه خود را در سال 2007 با موفقیت آزمایش کردند، نتیجه: انتقال60  وات در فاصله 2 متر، با بازدهی 50 درصد. گروه از آن زمان و برای پیشبرد این نظریه بود که شرکتWiTricity  را تاسیس نمود. سال گذشته، شرکت از دو کویل مربعی به عرض 30 سانتیمتر استفاده کرد، یکی در فرستنده و دیگری در گیرنده، تا یک تلویزیون 50 واتی را با بازدهی 70 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». بر خلاف انتقال انرژی لیزری که نیاز به دید مستقیم داشت، میدان مغناطیسی روی گیرنده متمرکز نمی‌شود و می‌تواند از موانع بین فرستنده و گیرنده هم عبور کند.

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 لپ تاپ‌ها، دستگاه‌های الکترونیکی برای مصرف‌کنندگان مانند تلویزیون‌ها، و ابزارهای کوچک‌ تر قابل حملی مانند موبایل‌ها هم می‌توان از همین روش استفاده کرد). به عبارت دیگر، بازدهی انرژی برای تغذیه یک تلویزیون پلاسمای بزرگ و یک رایانه جیبی کوچک با استفاده از رزونانس به یک اندازه خواهد بود.

اما پس از نمایش امکان عملی کردن انتقال جریان برق به صورت بی‌سیم (Wireless power) در نمایشگاه CES در سال 2007 ، این فناوری حیرت‌انگیز آهسته‌ آهسته می‌رفت تا در شرف فراموشی و محو شدن تدریجی از خاطر مردم قرار گیرد. تا این که با همت و تلاش یک گروه محقق به نام ائتلاف غیر انتفاعی جریان برق بی‌سیم ‌(The wireless power consortium)  این مساله دوباره به شکلی نو مطرح شد. این ائتلاف غیر انتفاعی متشکل از شرکت‌هایی مانند Fulton Innovation، National semiconductor، Olympus، Philips و Samsung است. در نمایشگاه CES امسال نیز شرکت‌ هایر (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 دسترسی به این فناوری در منازل مصرف‌کنندگان فراهم شده است.

نسخه 95/0 این فناوری، استانداردی برای مقیاس انتقال جریان برق از طریق القای مغناطیسی(Magnetic induction)  است که به وسیله آن وسایل برقی مختلف می‌توانند از راه قرار گرفتن روی سطح یک صفحه سازگار (Compatible pad) خاص نیرو رسان شارژ شوند. جهت شناسایی مشخصه‌های فنی و محصولات سازگار با آن، این گروه با استفاده از لوگوی رسمی‌ برق رسانی بی‌سیم، آن را به جهانیان شناساند که بر گرفته از لغت چینی Qi با تلفظ چی (Chi) به معنای زندگی و انرژی حیاتی بدن(Vital energy)  است. شرکت‌های عضو این ائتلاف، به صورت دوشادوش و نزدیک روی این موضوع کار کردند تا سرانجام توانستند به نتیجه و نظری مشترک درباره مشخصات فنی آن دست یابند. نتیجه این مشارکت و همکاری نیز راه را برای تسریع و شتاب دادن به روند مشخص شدن و انتشار فرانما و جدول زمانبندی نسخه 1.0 آینده این استاندارد هموار خواهد کرد. بنابر تحقیقات انجام شده از طرف شرکت‌های عضو این ائتلاف مشخصه‌های نسخه 0/1 این فناوری برای فراهم آوردن بیش از    5 وات (W) جریان نیروی برق طراحی شده است که به منظور نیرو‌رسانی به یک تلفن همراه یا دستگاه پخش MP3 و شارژ باتری آنها کفایت می‌کند. شرکت Fulton innovation  از اولین شرکت‌هایی است که قدم در عرصه تولید نمونه اولیه محصولات پیش الگو (Prototype) گذاشت.

خط تولیدای کاپلد(eCoupled)  آن نیز در زمینه صفحات نیرورسان مخصوص شارژ وسایل خانگی و داخل خودرو نقش مهمی‌ ایفا می‌کند؛ البته محققانی مستقل، شرکت‌ها و مؤسسه‌های پژوهش گر تاثیرگذار دیگر خارج از این ائتلاف نیز به صورت مستقل بر نسخه‌های انتقال جریان برق بی‌سیم خاص خودشان کار کرده‌اند.

تعداد معدودی از مؤسسات دست اندرکار تحقیق و توسعه فناوری‌های انتقال انرژی برق، به صورت بی‌سیم هستند. آنها ایده‌ها، اصول مهارتی و راه کارهایی تازه برای این فناوری را مطرح کرده‌اند که هریک موجب فراهم شدن موقعیت‌ها و فرصت‌های گوناگون متفاوت و عظیمی‌ شده‌اند و همه آنها به گونه‌ای مشکلات این فناوری را مورد حمله قرار داده و یکی یکی آنها را از سر راه برداشته اند.

برخی از این روش‌ها صفحاتی نیرورسان را به عنوان شارژر مورد استفاده قرار می‌دهند که باید با مبدل‌های مخصوص خود در تماس باشند و در واقع کاملا بی‌سیم نیستند، اما این ها نیزهر یک درجاتی از راحتی و آسایش را برای کاربران فراهم می‌آورند که در جای خود دارای ارزش و اهمیت بوده و پیشرفت و تحول همه این فناوری‌ها در نهایت به بی‌نیازی از اتصال دستگاه‌های مختلف به پریز‌های برق و امکان شارژ باتری‌های آنها به صورت بی‌سیم ختم شده که حاصل آن آسایش هر چه بیشتر مصرف‌کنندگان 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 استاندارد تکنیکیQi ، برای تکنیک القای مغناطیسی غیر رزونانسی می باشد، و صفحات سازگار با آن نیز به زودی در دسترس خواهند بود لیکن برای دیگر روش‌ها هنوز زود است، ولی استانداردهای مشابهی نیز برای آنها ارائه خواهد 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، اگر گیرنده یک قطعی ناخواسته در دریافت لیزر را حس کند، پیامی از طریق رادیو برای فرستنده ارسال می‌کند.

لیکن قرار گرفتن در معرض امواج رادیویی و میدان‌های مغناطیسی متناوب نیز خطرات بالقوه خود را دارد. اگر آن ها گرما را به سلول‌های ما ارسال کنند، می‌توانند در یک بازه زمانی طولانی به بافت‌ها آسیب وارد کنند. ولی با توجه به این که میزان امواجی که محصولات شرکت‌هایی مانند ویتریسیتی ما را در معرض آن قرار می‌دهند کمتر از حد مجاز استانداردها است، نباید خطر خاصی ما را تهدید کند.

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 مجبورند که به تحقیقات آزمایشگاهی اتکا کنند، زیرا آنها نیز هیچ تاثیر آشکار یا تکرار پذیری را پیدا نکرده‌اند. و این یعنی این که این قضیه مضر بودن یا نبودن امواج مایکرو ویو کماکان لاینحل باقی خواهد ماند.

ولی شاید نگرانی بیشتر مربوط به مسائل زیست محیطی باشد. در حالی که زمین هر روز گرم‌ تر می‌شود، خیلی از مردم به دنبال راهی برای افزایش بهره ‌وری 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؟

شرکت معظم دل اقدام به تولید لپ تاپ ۲۰۰۰ دلاری با شارژر و اتصال مانیتور بی سیم نموده است. این لپ تاپ با ضخامت ۱.۴ سانتی متری و وزن ۲ کیلو و ۴۱ گرمی، به راحتی عنوان سبک ترین و نازک ترین نوت بوک ۱۶ اینچی دنیا را در زمان ارائه از آن خود نموده است.

درست همانند پالم پره و البته در مقیاسی بزرگ تر از پالم استون، لاتیتود Z دارای سیم پیچی در قسمت زیرین خود است که بصورت بی سیم با استفاده از الکتریسیته القایی شارژ می شود. البته مدت زمان شارژ با این ابزار فرقی با شارژر سیمی ندارد.

          در ضمن شما می توانید با خرید یک مبدل ۲۰۰ دلاری، از ابزارهای جانبی تان (چاپگر، مانیتور و ...) هم به صورت بی سیم استفاده کنید. این مبدل با استفاده از تکنولوژی ویژه ای که با پهنای باند بالا درون این لپ تاپ تعبیه شده, ارتباط شما را با ابزارهای تان برقرار می کند.

 البته لاتیتود جدید ما به چندین هنر آراسته است و مزیت آن فقط امکان بی سیم آن نیست. همانند بسیاری از لپ تاپ های جدید این دل هم دارای یک محیط کاربری پیش از بالا آمدن است، که می توانید در آن ایمیل های تان را چک کنید یا به اینترنت گردی بپردازید. اما نکته متمایز کننده دل در این است که برای این محیط از یک پردازنده جداگانه استفاده می کند. من که ترجیح می دهم یکی دو دقیقه بیشتر صبر کنم اما کارهایم را با سیستم عامل لپ تاپ انجام دهم. پردازنده اصلی آن هم از نوع پردازنده های AMR است که با قابلیت بوت سریع، می تواند تا حد زیادی در مصرف باتری و سرعت بالا آمدن لپ تاپ موثر باشد.

شرکت اینتل نیز یک سیستم نیروی برق بی‌سیم خود را در تابستان سال گذشته به نمایش درآورده است. به گفته تحلیل‌گران این سیستم می‌تواند با بی‌نیاز کردن وسائل الکترونیکی از مبدل‌ها و پریزها انقلابی در زندگی مدرن به وجود آورد.

به گزارش خبرگزاری فرانسه مدیر ارشد تکنولوژی اینتل، جاستین راتنر، پنج‌شنبه 21 آگوست 2008 (31 مرداد 1388 ) در نشست سالانه تولید‌ کنندگان این شرکت در سانفرانسیسکو یک اتصال تشدید‌ کننده انرژی بی‌سیم (Wireless Energy Resonant Link) را به نمایش درآورد. برق به صورت بیسیم به یک چراغ روی صحنه فرستاده می‌شد و یک لامپ 60 واتی را روشن می‌کرد که برق بیشتری از یک لپ‌تاپ معمولی مصرف می‌کند. مهم تر اینکه برق بدون اینکه اثرگذاشتن بر چیز یا کسی که میان واحدهای فرستنده و گیرنده قرار گرفته باشد، انتقال پیدا می‌کرد.

جان اسمیت، پژوهشگر اینتل در یک ویدئوی آنلاین در توضیح این اختراع اشاره کرد که مزیت اصلی این سیستم این است که می‌تواند انتقال برق را به صورت کارآمد و بی‌خطر انجام دهد. او گفت: "ثابت شده است که بدن انسان تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی قرار نمی‌گیرد، اما میدان‌های الکتریکی بر آن تاثیر می‌گذارند. بنابراین ما برق را با استفاده از میدان‌ مغناطیسی انتقال می‌دهیم و نه میدان الکتریکی."

نمونه‌های کاربردهای بالقوه این سیستم شامل فرودگاه‌ها، ادارات با سایر ساختمان‌هایی است که در آنها لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه یا سایر وسائل الکترونیکی باید برق دریافت کنند.

به گفته اسمیت این تکنولوژی را همچنین می‌توان در داخل اجزای کامپیوتر مانند مانیتورها کارگذاشت تا آنها بتوانند برق را برای وسائلی که روی میز‌های کار قرار دارند یا به داخل اتاق‌ها آورده می‌شود، پخش کنند.

سیستم‌های برق بیسیم قبلی به طور پایه‌ای برق را از طریق میدان‌های الکتریکی به صورت پالس‌های صاعقه‌ای منتقل می‌کنند.