Juhtmevaba laadimine
Juhtmevaba laadimine (inglise keeles Wireless Charging) on elektrienergia edastamine kahe objekti vahel ilma elektrijuhtmeteta. Mõiste on üldistatud ning viitab mitme tehnoloogia kasutusele, mis erinevad võimsuse ja võimsuse ülekande kauguse poolest, kuid lõpuks saadud sisend muundatakse elektrienergiaks.
Juhtmevaba laadimine on nüüdseks arenenud tulevikuteooriast paljude toodete (kuuldeaparaadid, mobiiltelefonid ja nutiseadmed jne) tänapäeva standardiks. Seda tehnoloogiat kasutatakse mitmesugustes seadmetes alates väikese võimsusega hambaharjadest kuni suure võimsusega elektrisõidukiteni.
Ajalugu
Juhtmevaba energia edastamine sai alguse 20. sajandi alguses, kuid füüsika põhiseadused, millel põhinevad energia edastamise tehnoloogiad, on olnud formuleeritud oluliselt varem. Põhilised ajaloolised etapid:
1826–1830
Andre-Marie Ampere, kes on elektromagnetismi avastaja, defineeris 1826. aastal Ampère'i seaduse, mis näitab, kuidas elektrivool tekitab magnetvälja. Michael Faraday defineeris elektromagnetilise induktsiooni põhiseaduse, mis selgitab, kuidas muutuva magnetvoo abil saab traadis elektromagnetilist jõudu muuta.[1]
1860–1880
James Clerk Maxwell kasutas Faraday eksperimentaalseid andmeid ning andis neile täpsete matemaatiliste võrrandite vormi. Need võrrandid kirjeldasid elektromagnetvälja ühendamist elektrivoolu ja laengutega ning tulemuseks oli elektromagnetlainete olemasolu hüpotees.[2] Heinrich Hertz kinnitas oma eksperimentides Maxwelli ennustatud elektromagnetlainete olemasolu.
1889–1895
Nikola Tesla oli esimene, kes kasutas traadita elektriülekannet elektrostaatilise induktsiooni abil. Ta suutis juhtmevabalt sisse lülitada elektripirne resonantsinduktiivse sidestusega. Jagdish Chandra Bose helistas esimesena uksekella, kasutades elektromagnetlaineid.[3] Guglielmo Marconi demonstreeris raadioedastust umbes kahe kilomeetri kaugusel.[4] 1895. aastal edastas Aleksandr Popov morsekoodi kasutades esimest raadiosaadet.[5]
1905–1918
1901. aastal lõppes Tesla torni ehitus. Torni kasutati energia edastamiseks, ringhäälinguks, juhtmevabaks sideks ja juhtmevaba energia edastamiseks. Elektriväljad olid suured, mistõttu polnud voolu edastamine eriti efektiivne.[6] Leiutis osutus ebaedukaks ning revolutsiooniline tehnoloogia jäi puutumatuks mitmekümneks aastaks kuni mikrolainete tehnoloogia tekkimiseni.[7]
1927–1969
William C. Brown esitas ettepaneku alternatiivallikana kasutada päikeseenergiat ning edastada seda kosmoses satelliitide tarbeks, kasutades traadita energiaülekannet. Ta demonstreeris mudellennukit, mis sõitis juhtmevaba energia jõul.[7]
1974–1999
1980. aastatel tehti mikrolainete energia edastamisega palju katseid Jaapanis. Hiroshi Matsumoto Kyoto Ülikoolist viis läbi katse, mis näitas mikrolainete energia edastamist läbi ionosfääri.[8] Avastati ja võeti kasutusele raadiosagedustuvastus ehk RFID (ingl Radio Frequency Indentification). Goldstone Deep Space Communications katsetas meetodeid RFID-märgiste toitmiseks kasutades elektrodünaamilist induktsiooni. 1990. aastate alguses hakkas esimesena Braun tootma elektrilisi hambaharju, mis töötasid magnetilisel induktsioonil.[9]
2008–2013
Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teadlased töötasid välja raadiotehnoloogia WiTricity, mis põhineb väga madala sagedusega elektromagnetlainete resonantsil. 2008. aastal asutati Wireless Power Consortium (WPC) eesmärgiga luua universaalne laadija, mida saaks kasutada eri tootjate seadmetega. Samal eesmärgil oli loodud 2012. aastal Power Matters Allianse (PMA), mis ühines 2015. aastal Alliance for Wireless Poweriga AirFuel Alliance'iks. WPC töötas välja aku laadimise Qi standardi, mis toetab nii induktiivset kui ka resonantset laadimistehnoloogiat. AirFuel Alliansi PMA standard on Qi standardi suurim konkurent ning töötab vastastikuse induktsiooni põhimõttel.
Üks esimesi olmeseadmeid, mis kasutab juhtmevaba laadimist, on elektrooniline hambahari.[10]
Juhtmevaba laadimise tööpõhimõte ja meetodid
Rohkem kasutust leidnud juhtmevaba laadimise tehnoloogiad: magnetiline induktsioon, magnetiline resonants ja mikrolainete kiirgus. Mikrolainete kiirgus võib mõjuda nii lähedal kui ka kaugel olevatele objektidele, magnetiline induktsioon ja resonants aga lähedal olevatele objektidele.
| Juhtmevaba laadimise tehnoloogia | Eelised | Puudused |
|---|---|---|
| Magnetiline induktsioon | Suure võimsusega | Vajab õiget paigutust: saatja ja vastuvõtja peavad olema lähestikku |
| Mikrolainete kiirgus | Ei nõua joondatust | Saatja ja vastuvõtja peavad olema küllaltki lähestikku |
| Magnetiline resonants | Efektiivne edastamine suurtel kaugustel | Nõuab vaatesuunalisust |
Magnetiline induktsioon
Kõige ohutum ja levinum meetod, mis põhineb elektromagnetvälja kasutusel kahe objekti vahel energia ülekandeks. Meetod seisneb elektrivoolu tekkimises suletud ahelas, kui muutub selle kontuuri pinda läbiv magnetvoog.
Magnetilise induktsiooni esmaavastajaks peetakse Michael Faraday, kes 1831. aastal tegi katseid magnetilise induktsiooniga. Tema eesmärgiks oli näidata, et magnetismist saab genereerida elektrit. Seda asuski ta tõestama oma katsetes. Katse olemus: pool ühendatakse galvanomeetriga, mida kasutatakse elektrivoolu olemasolu, suuna ja tugevuse määramiseks. Alguses on püsimagnet paigal ning galvanomeetri nõel on 0-positsioonil, mis tähendab, et elektrivoolu veel ei ole. Kui magnetit poolile lähemale liigutada, kaldub galvanomeetri nõel ühele poole (magnetiline induktsioon). Kui magnet ei liigu, galvanomeetri nõel liigub tagasi 0-positsiooni. Kui magnet tagasi poolist eemale liigutada, galvanomeetri nõel hakkab liikuma teises suunas (magnetiline resonants). Katse tulemus näitab, et elektromotoorjõu teket indutseeritakse poolis, kui muutub sellega seotud magnetvoog.
Elektrivool võib tekkida ka siis, kui muudetakse magnetvälja tugevust, liigutades magnetit poolile kaugemale-lähemale, sisse/välja lülitades magneti pooli või pöörates pooli magneti suhtes.
Magnetilist induktsiooni abil saab edasta voolu ühest seadmest teise, kasutades järgmist skeemi:
- saatja poolis tekitatakse vahelduvvooluga magnetväli;
- muudetakse magnetvälja vajalikul viisil;
- magnetvälja muutmisel tekib vastuvõtja poolis elektrivool;
- seade laeb.
Voolu edastamiseks peavad saatja ja vastuvõtja poolid asuma lähestikku.
Magnetiline resonants
Magnetilise resonantsi meetod on sisuliselt analoogne juba mainitud magnetilise induktsiooni meetodiga: süsteemis samuti saatja ja vastuvõtja poolid, mille diameeter on võrdne, kuid poolidevaheline kaugus on mõnevõrra suurem. Erinevus on ka selles, et süsteem töötab vastuvõtja resonantssagedusel. Võrreldes magnetilise induktsiooniga on resonantsitehnoloogia kasutamine energia edastamiseks väiksema efektiivsusega.[11] Magnetilise resonantsi ja induktsiooni põhimõttel töötab levinuim Qi juhtmevaba laadimise standard.[12]
Ultraheli ja mikrolainete kiirgus
Ultraheli töö põhineb helilainete peegeldumisel ja ülekandel. Saatjast saadetakse ultraheli vastuvõtjale, mis muundab saadud signaali elektrienergiaks. Võrreldes üleval mainitud meetoditega saab energiat üle kanda teineteisest kaugemal olevate objektide vahel, kuid kuna energia konversioon ei toimu kaotusteta, siis antud meetodi kasutegur on madal. Mikrolainelise kiirguse puhul saadetakse mikrolaineid. Väljakiiratud elektromagnetlaine peegeldub objektilt tagasi ja osa lainest püütakse kinni antenniga, mis muudab selle elektriks. Mikrolainete edastamise ülemaailmseks rakenduseks on ruumi päikeseenergia satelliidid (SPS). Selles rakenduses on päikeseenergia hõivatud ruumis ja muundatud elektrienergiaks. Elektrienergia muundatakse mikrolaineteks ja edastatakse maa peale. Mikrolaine võimsust jäädvustavad antennid ning see võimsus muudetakse elektrienergiaks. NASA uurib endiselt SPSi võimalusi. Mikrolaineline meetod annab võimaluse edastada energiat kaugemal olevatele objektidele ning kasutegur on suur.[13]
Juhtmevaba laadimise standardid
Qi
Mobiilseadmete tootjad töötavad kahe peamise standardiga, mis olid välja töötatud AirFuel ja Wireless Power Consortiumi liidu poolt.
Wireless Power Consortiumi (WPC) liit, mis hõlmab selliseid tuntud ettevõtteid nagu HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony ja umbes sada muud organisatsiooni, töötas välja aku laadimise Qi standardi (hääldatakse /tʃiː/ CHEE). See standard, nagu mainitud, toetab nii induktiivset kui ka resonantset laadimistehnoloogiat: induktiivsel laadimisel saab energia läbida saatja ja vastuvõtja mähist kaugusel < 7 mm, resonantslaadimine ei vaja hoolikat häälestamist ja laadijad suudavad seadet tuvastada ja laadida > 40 mm kaugusel. Qi laadijad kasutavad kas induktiiv- või resonantsirežiimi sõltuvalt saatja ja vastuvõtja poolide vahelisest kaugusest.
Esmakordsel kasutuselevõtul oli Qi laadimine väikese võimsusega, ligikaudu 5 W. Esimesed nutitelefonid, mis kasutavad Qi laadimist, võeti kasutusele 2011. aastal. 2015. aastal suurenes Qi võimsus 15 vatile, mis võimaldab kiiret laadimist.
PMA
Qi tõsiseks konkurendiks on AirFueli liidu poolt, mis hõlmab Procter & Gamble, Powermate'i, AT&T, Google'i, Starbucksi, BlackBerry, ZTE, Samsungi ja teisi, välja toodetud PMA standard. PMA standard töötab vastastikuse induktsiooni põhimõttel. Põhiline erinevus võrreldes Qi standardiga on sagedus: Qi töötab 100–205 kHz, PMA 277–357 kHz.
Rezence (A4WP)
Standard Rezence (A4WP) on eelmistega võrreldes veel vähem populaarne, kuid väärib mainimist, kuna energiaedastus põhineb magnetresonantsil. See omakorda võimaldab oluliselt suurendada kasutusala, kahe objekti vahelist kaugust ning võimalust laadida mitu seadet korraga. Edastatav võimsus võib ulatuda 50 vatini, mis võib olla piisav isegi sülearvuti jaoks.
Vaatamata sellele, et see standard ja kasutusele võetud meetod on paljutõotav, ei saa Rezence veel suure eduga kiidelda. Tehnoloogiat toetavad Qualcomm, LG, Intel, HTC ja teised, kuid Rezence pole siiani jõudnud turule.