무선 전력 전송

Wireless power transfer
근거리 무선 전송의 예로서 스마트폰용 유도 충전 패드.전화기가 패드에 세팅되면 패드의 코일이 자기장을[1] 만들어 전화기의 다른 코일에 전류를 유도하여 배터리를 충전합니다.

무선 전력 전송(WPT), 무선 전력 전송, 무선 에너지 전송(WET), 또는 전자파 전력 전송은 물리 링크로서 와이어가 없는 전기에너지의 전송입니다.무선전송시스템에서 송신장치는 전원으로부터의 전력에 의해 구동되는 시변 전자계를 발생시키고, 시변 전자계는 공간을 초월하여 수신장치에 전력을 전달하고, 수신장치는 전기계로부터 전력을 추출하여 전기부하에 공급한다.무선 송전 기술은 와이어와 배터리의 사용을 없애 모든 사용자의 [2]전자 기기의 이동성, 편의성 및 안전성을 높일 수 있습니다.무선 전력 전송은 상호 접속이 불편하거나 위험하거나 불가능한 전기 장치에 전원을 공급할 때 유용합니다.

무선 전력 기술은 주로 근거리 및 원거리 [3]두 가지 범주로 나뉩니다.근거리 또는 비방사성 기술에서는 와이어 코일 간의 유도 결합을 이용한 자기장 또는 금속 [4][5][6][7]전극 간의 용량 결합을 이용한 전계에 의해 단거리에 걸쳐 전력이 전달된다.유도 결합은 가장 널리 사용되는 무선 기술입니다. 이 기술은 전화기, 전동칫솔, RFID 태그, 유도 조리, 인공 심장 박동기와 같은 삽입형 의료 장치 또는 전기 자동차에서 무선 충전 또는 연속 무선 전력 전송을 포함합니다.

파워 빔이라고도 불리는 원거리 또는 복사 기술에서는 전자파나[8] 레이저 빔과 같은 전자파 방사 빔에 의해 전력이 전달됩니다.이러한 기술은 에너지를 더 먼 거리로 전송할 수 있지만 수신기를 겨냥해야 합니다.이 유형에 대해 제안된 애플리케이션은 태양광 발전 위성과 무선으로 구동되는 [9][10][11]무인항공기를 포함한다.

모든 무선 전력 시스템과 관련된 중요한 문제는 사람과 다른 생명체가 잠재적으로 유해한 전자기장에 [12][13]노출되는 것을 제한하는 것입니다.

개요

상세 정보:커플링(전자제품)
무선 전원 시스템의 범용 블록도

무선 전력 전송은 전자기장을 [14][15][16]통해 에너지를 전송하는 여러 가지 다른 기술을 총칭하는 용어입니다.아래 표에 기재되어 있는 테크놀로지는 효율적으로 전력을 전달할 수 있는 거리, 송신기가 수신기를 향해야 하는지 여부, 사용하는 전자파 에너지 유형(시간 변동 전계, 자기장, 전파, 마이크로파, 적외선 또는 가시광선파)[17]에 따라 다릅니다.

일반적으로 무선전력시스템은 주전력선과 같은 전력원에 접속된 "송신기" 디바이스와 전력을 받아 [14][17]전기부하에 의해 사용되는 DC 또는 AC전류로 다시 변환하는 하나 이상의 "수신기" 디바이스로 구성됩니다.송신기에서 입력전력은 일종의 '안테나' 장치에 의해 진동하는 전자장으로 변환됩니다.여기서 '안테나'라는 단어는 느슨하게 사용됩니다.그것은 자기장을 발생시키는 전선 코일, 전계를 발생시키는 금속판, 전파를 방사하는 안테나 또는 빛을 발생시키는 레이저일 수 있습니다.수신기의 유사한 안테나 또는 커플링 장치는 진동장을 전류로 변환한다.파형의 종류를 결정하는 중요한 파라미터는 파장을 결정하는 주파수입니다.

무선전력은 무선통신장치인 라디오와 같은 무선통신장치와 같은 전기장과 파장을 사용한다.이것은 휴대전화, 라디오,[18][19] 텔레비전 방송, 와이파이에 의해 유선 없이 전송되는 또 다른 친숙한 기술이다.무선 통신에서 목표는 정보의 전송이기 때문에, 정보를 정확하게 [15][18][19]수신할 수 있는 한, 수신기에 도달하는 전력량은 그다지 중요하지 않습니다.무선 통신 테크놀로지에서는, 미량의 전력만이 수신기에 도달합니다.이와는 대조적으로 무선 전력 전송에서는 수신되는 에너지의 양이 중요하기 때문에 효율성(수신되는 송신 에너지의 분절)이 더 중요한 [15]파라미터입니다.이 때문에 무선전력기술은 무선통신기술보다 거리에 따라 제한될 가능성이 높다.

무선 전력 전송은 무선 정보 송신기 또는 수신기의 전원을 켜기 위해 사용할 수 있습니다.이러한 종류의 통신은 무선 파워드 통신(WPC)이라고 불립니다.수집된 전력이 무선 정보 송신기의 전력 공급에 사용되는 경우 네트워크는 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)[20]이라고 불리며, 무선 정보 수신기의 전력 공급에 사용되는 경우에는 무선 전력 통신 네트워크(WPCN)[21][22][23]라고 불립니다.

무선 전력 [14][17][24][25]테크놀로지는 다음과 같습니다.

테크놀로지 범위[26] 지향성[17] 빈도수. 안테나 장치 현재 및/또는 미래의 응용 프로그램
유도 결합 짧다 낮다 Hz – MHz 와이어 코일 전동칫솔 및 면도기 배터리 충전, 인덕션 스토브 및 산업용 히터.
공진 유도 커플링 미드 낮다 kHz – GHz 튜닝된 와이어 코일, 응집 소자 공진기 충전 휴대용 기기(Qi), 바이오메디컬 임플란트, 전기차, 전력 버스, 기차, MAGLEV, RFID, 스마트 카드.
용량성 결합 짧다 낮다 kHz – MHz 금속판 전극 휴대용 디바이스 충전, 대규모 집적회로 전원 배선, 스마트 카드, 바이오메디컬 [5][6][7]임플란트.
자기역학적 결합 짧다 N.A. Hz(헤르츠) 회전 자석 전기 자동차 [25]충전, 생물의학 이식.[27]
전자레인지 긴 높은 GHz 포물선 접시, 단계별 배열, 직경 태양광 발전 위성, 드론 항공기 전력 공급, 무선 장치 충전
광파 긴 높은 § THz 레이저, 광전지, 렌즈 휴대용 [28]기기 충전, 드론 항공기 동력 공급, 우주 엘리베이터 등반가 동력 공급

필드 영역

전기장과 자기장은 전자와 같은 물질의 하전 입자에 의해 만들어진다.정전하는 주변 공간에 정전장을 생성합니다.전하(직류, DC)가 일정하게 흐르면 주위에 정적 자기장이 생성됩니다.위의 필드에는 에너지가 포함되어 있지만 정적이기 때문에 전력을 전달할 수 없습니다.하지만time-varying 분야 힘을 옮길 수 있다.[29]같은 속력이 증가하고 있어 전기 요금, 전자가 철사에서 교류 전류(AC), 공간으로 돌려time-varying과 자기장을 만들어 내에서 발견된다.이 분야들은 전자에 수신"안테나"에서, 그들 앞뒤로 움직이는 원인oscillating 힘을 행사할 수 있다.이러한 교류는 부하에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있현재를 나타낸다.

진동하는 전자장과 자기장 안테나 장치에 전기 이사 비용을 둘러싼 두 현상이 일어나는 지역에 안테나로부터의 거리 Drange에 따라 나뉠 수 있다.[14][17][18][24][30][31일]지역 사이의 경계[32]다소 모호하게 정의되어 있다.[17]그 학문 분야들이 이런 지역에 다른 기술력 전환에 사용되었다: 다른 특징을 갖고 있다.

  • 또는 비방사 지역 – 이것은 안테나의 1파장(λ)범위 안을 의미하는 근거리.[14][30][31일]이 지역에서 진동 전자기장과 전력 금속 electrodes,[4][5][6][7]사이에 용량 결합(정전 유도)에 의해 전기 분야 또는 유도 결합(전자기 유도)에 의해 전선을 코일 사이에 자기장을 통해서 통해 이송될 수 있separate[18] 있다.[15][17][18][24]이 전답은 아니radiative,[31일]의미는 전달기의 짧은 거리 내에 에너지를 머무른다.[33]없다면 받는 장치 또는 흡수 재질은 그들의 제한된 범위 안에"커플"는 것이다, 권력이 없는 송신기는 떠난다.[33]이 분야의 범위와 작은 서고 이들은 주로 코일은"안테나"기기의 크기와 모양에 따라 짧다.두"안테나"Drange 사이의 거리보다 훨씬 그"안테나"Dant 매우 작은 전력의 직경을 받겠습니다 크다 그 분야며, 따라서 권력 방송되는 기하 급수적으로 distance,[30][32][34]으로 감소됩니다.따라서 이러한 기법을 장거리 송전에 사용할 수 없다.
공진 유도 커플링과 같은 공진은 안테나 간의 커플링을 크게 증가시켜 필드가 여전히 기하급수적으로 감소하지만 다소 더 [14][18][24][30][35][36]먼 거리에서 효율적인 전송을 가능하게 합니다.따라서 근거리 장치의 범위는 일반적으로 다음 두 가지 범주로 구분됩니다.
  • 단거리 – 최대 1개의 안테나 직경range : D µant [33][35][37]D이는 일반적인 비공진 용량성 또는 유도성 커플링이 실제적인 양의 전력을 전달할 수 있는 범위입니다.
  • 미드레인지 – 안테나 직경의 최대 10배: Drange 10 10ant D.[35][36][37][38]이는 공명 용량성 또는 유도성 커플링이 실제적인 양의 전력을 전달할 수 있는 범위입니다.
  • 원거리 영역 또는 복사 영역 – 안테나의 약 1파장(θ)을 넘어서는 전기장과 자기장은 서로 수직이며 전자파로 전파됩니다. 예를 들어 전파, 마이크로파, 광파 [14][24][30]등이 있습니다.에너지의 이 부분은 [31]방사성이기 때문에 흡수하는 수신기가 있는지 여부에 관계없이 안테나를 떠납니다.수신 안테나에 닿지 않는 에너지 부분은 소멸되어 시스템에 손실됩니다.안테나에 의해 전자파로 방출되는 전력량은 주파수 θ = c/f에 의해 결정되는 파장 [39]θ에 대한 안테나 크기ant D의 비율에 따라 달라진다.안테나가 파장의 크기 Dant < ,보다 훨씬 작은 저주파 f에서는 매우 적은 전력을 방사한다.따라서 더 낮은 주파수를 사용하는 위의 근거리 장치는 에너지의 거의 모든 것을 전자기 방사선으로 방사하지 않습니다.단극 안테나나 쌍극 안테나 등 파장ant Dθθ와 같은 크기의 안테나는 전력을 효율적으로 방사하지만 전자파는 전방위(전방향)로 방사되기 때문에 수신 안테나가 멀리 떨어져 있으면 소량의 방사만이 [31][35]방사된다.따라서, 이것들은 단거리, 비효율적인 전력 전송에는 사용할 수 있지만 장거리 [40]전송에는 사용할 수 없습니다.
그러나 전기장과 달리 전자기 복사는 빔에 대한 반사 또는 굴절에 의해 집중될 수 있다.또, 수신기를 향한 좁은 빔에 방사선을 집속시키는 고이득 안테나나 광학계를 이용하는 것으로, 장거리 전력 [35][40]전송에 이용할 수 있다.레일리 기준에서 상당한 양의 에너지를 원격 수신기에 집중시키는 데 필요한 좁은 빔을 생성하려면 안테나가 사용되는 파장의 파장보다 훨씬 커야 합니다.Dant > > = c/f.[41]실용적인 빔 파워 디바이스는 1GHz 이상의 주파수에 대응하는 센티미터 영역 이하의 파장, 마이크로파 범위 이상의 [14]파장을 필요로 합니다.

근거리(비방사성) 기술

큰 상대 거리에서 전기장과 자기장의 근접장 성분은 거의 정적인 진동 쌍극자장이다.이러한 필드는 거리의 세제곱에 따라 감소합니다. (Drange/Dant)−3[32][42] 전력은 필드 강도의 제곱에 비례하므로 전달되는 전력은 (Drange/Dant)−6[18][34][43][44] 또는 10년마다 60dB로 감소합니다.즉, 멀리 떨어져 있는 경우 두 안테나 사이의 거리를 두 배로 늘리면 수신 전력이 2=64배 감소합니다6.그 결과 유도성 및 용량성 결합은 안테나 장치ant D의 직경의 몇 배 이내의 단거리 전력 전송에만 사용할 수 있다.다이폴 안테나가 전파 방향으로 횡방향으로 향할 때 최대 방사선이 발생하는 복사 시스템과 달리 다이폴 장은 다이폴이 종방향으로 향할 때 최대 결합이 발생한다.

유도 결합

주요 기사:유도 충전
유도형 무선 전원 시스템의 범용 블록 다이어그램
(왼쪽) 현대식 유도 동력 전달, 전동 칫솔 충전기.스탠드의 코일은 자기장을 발생시켜 칫솔의 코일에 교류를 유도하고, 이를 정류하여 배터리를 충전합니다.
(오른쪽) 1910년에 유도에 의해 무선으로 구동된 전구.

유도결합(전자유도[24][45] 또는 유도전력전송, IPT)에서는 자기장에 [18]의해 와이어의 코일간에 전력이 전달된다.송신기와 수신기 코일은 함께 변압기를[18][24] 형성합니다(그림 참조).송신기 코일(L1)을 통과하는 교류(AC)는 암페어의 법칙에 따라 진동 자기장(B)을 생성합니다.자기장은 수신 코일(L2)을 통과하며, 여기서 패러데이의 유도 법칙에 따라 교류 EMF(전압)를 유도하여 [15][45]수신기에 교류 전류를 생성합니다.유도 교류는 부하를 직접 구동하거나 수신기의 정류기에 의해 직류(DC)로 정류되어 부하를 구동할 수 있습니다.전동 칫솔 충전 스탠드와 같은 일부 시스템은 50/60Hz에서 작동하므로 AC 주전류가 송신기 코일에 직접 공급되지만, 대부분의 시스템에서는 전송 효율이 [45]주파수에 따라 향상되기 때문에 전자 발진기가 코일을 구동하는 더 높은 주파수 AC 전류를 생성합니다.

유도 커플링은 가장 오래되고 널리 사용되는 무선 전력 기술이며, 상업용 제품에 사용되는 것은 사실상 유일합니다.전기칫솔[24], 면도기 등 젖은 환경에서 사용되는 무선 기기용 유도 충전 스탠드에 사용되며 [46]감전 위험을 줄입니다.또 다른 적용 영역은 심박조율기 및 인슐린 펌프와 같이 인체에 이식된 생물의학 보철 장치의 "경피적" 재충전입니다.[47][48] 이는 전선이 피부를 통과하지 않도록 하기 위해서이다.그것은 또한 자동차와 같은 전기 자동차를 충전하고 버스나 [24]기차와 같은 운송 차량을 충전하거나 동력을 공급하기 위해 사용된다.

그러나 가장 빠르게 증가하고 있는 용도는 노트북과 태블릿 컴퓨터, 컴퓨터 마우스, 휴대폰, 디지털 미디어 플레이어, 비디오 게임 [citation needed]컨트롤러와 같은 모바일 및 핸드헬드 무선 장치를 충전하기 위한 무선 충전 패드입니다.미국에서는 연방통신위원회(FCC)가 2017년 [49]12월에 무선 전송 과금 시스템에 대한 첫 인증을 제공했습니다.

전달되는 전력은 코일 간의 주파수 및 상호 M(\ M에 따라[45] 증가하며,[15] 이는 코일 형상 및 코일 간의 D 범위에 따라 달라집니다.널리 사용되는 가치 수치는 결합 k / L k\;=\; M[45][50]이다.이 무차원 파라미터는 L2가 개방되어 있을 때 리시버 코일 디스플레이 스타일 L2)를 통과하는 송신기 L1 L1을 통과하는 자속 비율과 동일합니다.두 코일이 같은 축에 있고 서로 닫히면 L1의 모든 자속이 L2 k을 하고 링크 효율이 100%에 근접합니다.코일 간 간격이 클수록 첫 번째 코일로부터의 자기장이 두 번째 코일보다 많이 놓치고 k k와 링크 효율이 큰 [45]이간에서는 0에 가까워집니다.링크 효율과 전달 전력은 k[45]에 거의 비례합니다.고효율화를 실현하기 위해서는 코일이 코일의 축이 정렬된 상태에서 [40]코일의 (\ant[45]의 극히 일부인 매우 가까워야 합니다.일반적으로 [45]커플링을 늘리기 위해 넓고 평평한 코일 모양이 사용됩니다.페라이트 "flux containment" 코어는 자기장을 제한하여 결합을 개선하고 인근 [45][47]전자제품에 대한 간섭을 줄일 수 있지만 무겁고 부피가 크기 때문에 소형 무선 디바이스는 공기 코어 코일을 사용하는 경우가 많습니다.

일반적인 유도성 커플링은 코일이 서로 매우 가깝고 일반적으로 인접한 경우에만 높은 효율성을 달성할 수 있습니다.대부분의 최신 유도 시스템에서는 공명 유도 커플링(아래 설명)이 사용되며, 공명 [31][36][45][51]회로를 사용하면 효율성이 높아집니다.이는 비공진 유도 커플링보다 먼 거리에서 높은 효율성을 달성할 수 있습니다.

2011년 도쿄 오토쇼 유도 전기 자동차 충전 시스템 시제품
커피숍의 파워매트 유도 충전 스폿.고객들은 충전하기 위해 휴대폰과 컴퓨터를 설정할 수 있다.
무선 파워 액세스 카드
GM EV1과 토요타 RAV4 EV가 구식 마그네 차지 스테이션에서 유도 충전

공진 유도 커플링

주요 기사:공진 유도 커플링
상세 정보:테슬라 코일 δ 공진 변압기

공명 유도 커플링(전기 동적 커플링,[24] 강하게 결합된 자기[35] 공명)은 두 개의 공명 회로(튜닝 회로) 사이에 자기장(B, 녹색)에 의해 전력이 전달되는 유도 커플링의 한 형태입니다. 하나는 송신기에 있고 다른 하나는 수신기에 있습니다(그림 오른쪽 [18][24][31][46][51]참조).각 공진회로는 캐패시터에 접속된 와이어 코일 또는 내부 캐패시턴스를 가진 자기공진 코일 또는 기타 공진기로 구성된다.이 두 가지는 동일한 공진 주파수로 공진하도록 조정됩니다.코일 간의 공진은 진동하는 튜닝 포크가 같은 피치에 맞춰 조정된 먼 포크에서 교감 진동을 유도하는 것과 유사하게 커플링과 동력 전달을 크게 증가시킬 수 있습니다.

니콜라 테슬라는 20세기 [52][53][54]초에 무선 전력 전송에 관한 선구적인 실험 중에 공명 커플링을 처음 발견했지만, 공명 커플링을 사용하여 전송 범위를 늘리는 가능성은 최근에야 [55]탐색되었습니다.2007년 MIT의 Marin Soljachich가 이끄는 팀은 각각 10MHz에서 25cm의 자기공진 와이어로 만든 2개의 커플링 튜닝 회로를 사용하여 2m(6.6ft) 거리에서 약 40%의 [24][35][46][53][56]효율로 60W의 전력을 전송했습니다.

공명 유도 커플링 시스템의 개념은 고Q 계수 공진기가 내부 [35]감쇠로 인해 에너지가 손실되는 속도보다 훨씬 높은 속도로 에너지를 교환한다는 것입니다.따라서 공명을 사용함으로써 가까운 [35]필드의 주변 영역("꼬리")에서 훨씬 약한 자기장을 사용하여 동일한 양의 전력을 더 먼 거리에서 전송할 수 있습니다.공명 유도 커플링은 코일 직경(Dant)[36][37][38]의 4~10배 범위에서 높은 효율성을 달성할 수 있습니다.코일이 인접해 있을 때만 유사한 효율을 달성할 수 있는 비공진 유도 전이의 "단거리"와는 대조적으로 이를 "미드 레인지"[37] 전이라고 합니다.또 다른 장점은 공진회로가 비공진물체와 상호 작용하는 것보다 훨씬 더 강하기 때문에 주변 유물의 흡수에 의한 전력 손실은 무시할 [31][35]수 있다는 것입니다.

낭랑한 연결 장치 이론의 문제점은 두 공진 회로 강하게 결합되는 가까운 범위에서, 시스템의 공진 주파수 더 이상 일정하다 하되 최대 전력 전송은 더 이상 원래 공명 주파수에 발진기 주파수 t.되야 한다 발생한다 두 공진 peaks,[57][58][59]에"스플릿"은새로운도 제일의 것이다음파 [36][60]피크

공명 기술은 현재 현대 유도형 무선 전력 [45]시스템에 광범위하게 적용되고 있습니다.이 테크놀로지가 상정하고 있는 가능성 중 하나는 지역 무선 전력 범위입니다.실내 벽면 또는 천장에 있는 코일은 실내 어디에서나 무선으로 조명 및 모바일 장치에 전원을 공급할 수 있으며,[46] 상당한 효율이 있습니다.시계, 라디오, 음악 재생기, 리모콘 등의 소형 기기에 무선으로 전력을 공급함으로써 환경적, 경제적 이점을 얻을 수 있는 것은 독성 폐기물과 지하수 [40]오염의 큰 원천인 60억 개의 배터리를 매년 폐기할 수 있다는 것입니다.

용량성 결합

주요 기사: 커패시티브 커플링

커패시티브 커플링은 전기 커플링이라고도 불리며,[61] 전력 전달을 위한 정전용량을 형성하는 두 전극(아노드 및 음극) 간의 전력 전달을 위해 전계를 사용합니다.유도결합의 켤레인 용량결합(정전기유도)에서 에너지는 금속판과 같은 전극 사이의[6] 전계에[4][15][5][7] 의해 전달된다.송신기 및 수신기 전극은 캐패시터를 형성하고, 그 사이에 있는 공간을 [6][15][18][24][47][62]유전체로 합니다.송신기에 의해 발생한 교류전압을 송신판에 인가하고, 진동전계는 정전유도에 [15][62]의해 리시버 플레이트상에 교류전위를 유도하여 부하회로내에 교류전류를 흐르게 한다.전달되는 전력량은 전압의 제곱 주파수와[62] 플레이트 간의 캐패시턴스(소형 플레이트의 면적과 비례하고 (단거리인 경우) [15]분리에 반비례)에 따라 증가합니다.

용량성 무선 전원 시스템
바이폴라 커플링
단극 결합

용량성 결합은 상당한 전력을 전달하는 데 필요한 전극의 매우 높은 전압은 위험할 [18][24]수 있고 유해 오존 생성과 같은 불쾌한 부작용을 일으킬 수 있기 때문에 실질적으로 소수의 저전력 애플리케이션에서만 사용되어 왔다.또한 [35]자기장과는 대조적으로 유전체 분극으로 [47]인해 인체를 포함한 대부분의 물질과 강하게 상호작용합니다.인간이 과도한 전자장 [18]노출을 일으킬 수 있는 경우 전극 사이 또는 전극 근처에 있는 물질이 에너지를 흡수할 수 있습니다.그러나 용량성 커플링은 유도 커플링보다 몇 가지 장점이 있습니다.자기장은 주로 콘덴서 플레이트 사이에 한정되어 있기 때문에 간섭이 감소합니다.유도성 결합에서는 무거운 페라이트 "flux containment"[15][47] 코어가 필요합니다.또, 송신기와 수신기의 얼라인먼트 요건도 그다지 [15][18][62]중요하지 않습니다.용량성 커플링은 최근 바이오메디컬 [5][6][7]임플란트의 충전 또는 연속 무선 전력 전송뿐만 아니라 배터리 구동식 휴대용[4] 장치에 적용되어 집적회로의 [63]기판층 간 전력 전달 수단으로 검토되고 있다.

두 가지 유형의 회로가 사용되었습니다.

  • 가로(양극) 설계:[5][7][64][65]이런 유형의 회로에는 2개의 송신기 플레이트와 2개의 수신기 플레이트가 있습니다.각 송신판은 수신판에 결합되어 있다.송신기 발진기는 높은 교류 전압에 의해 송신기 플레이트를 반대 위상(180° 위상차)으로 구동하며, 부하는 두 수신기 플레이트 사이에 연결됩니다.교류 전계는 리시버 플레이트에 역상 교류 전위를 유도하며, 이 "밀어서 당기는" 동작은 부하를 통해 플레이트 사이를 앞뒤로 전류가 흐르게 합니다.무선 충전을 위한 이 구성의 단점은 장치가 [16]작동하려면 수신 장치의 2개의 플레이트가 충전기 플레이트와 마주보고 정렬되어야 한다는 것입니다.
  • 세로(단극) 설계:[15][62][65]이러한 종류의 회로에서 송신기와 수신기는 하나의 활성전극만을 가지며 접지 또는 큰 수동전극 중 하나가 전류의 복귀경로로 기능한다.송신기 발진기는 능동형 전극과 수동형 전극 사이에 연결됩니다.부하는 능동형 전극과 수동형 전극 사이에도 연결됩니다.송신기에 의해 생성되는 전계는 정전 [66]유도를 통해 부하 쌍극자에서 교대로 전하 변위를 유도합니다.

공명 용량 커플링

또한 공진을 용량성 커플링과 함께 사용하여 범위를 확장할 수 있습니다.20세기 초에 니콜라 테슬라는 공명 유도 결합과 용량 결합에 대한 첫 번째 실험을 했습니다.

전자동적 무선 전력 전송

EWPT(Electrodynamic Wireless Power Transfer) 시스템은 기계적으로 공진하거나 회전하는 영구 [67][68]자석을 가진 수신기를 이용한다.시변 자기장에 의해 공명 자석의 기계적 움직임이 하나 이상의 전자기/유도, 압전 또는 용량성 [69][70]등의 전자기 변환 스킴에 의해 전기로 변환된다.다른 WPT 체계와 비교하여 EWPT는 전도성 매체를 안전하게 통과하고 인체장 노출 한계(1kHz에서 [74][75]~2mTrms)가 높은 저주파 자기장(<1kHz)[71][72][73]을 활용함으로써 바이오메디컬 임플란트를 무선으로 재충전할 수 있는 가능성을 보여준다.공진 주파수가 동일한 EWPT 디바이스의 경우 전력 전송의 크기는 송신기와 수신기 디바이스 간의 중요한 결합 k\ k에 전적으로 의존합니다.공진 주파수가 동일한 결합 공진기의 경우, 송신기와 수신기 사이의 무선 전력 전송은 세 가지 체제(연결 부족, 임계 결합 및 과다 결합)에 걸쳐 분산됩니다.한under-coupled 정권(k<>kc r나는 하루에 500파운드{\displaystyle k<, k_{crit}})의 중대한 결합된 정권을 중요한 결합 계수 증가하면 최적 전압 이득 곡선 크기(수화기에서 측정하)에와 봉우리들 자랄 때 k=kc r나는 하루에 500파운드{\displaystyle k=k_{비평.}}고 다음에 over-couple.dreg여기서 > t { k > }와 피크가 [76]둘로 분할됩니다.이 중요한 커플링 계수는 소스와 수신기 [77][78]장치 사이의 거리 함수인 것으로 입증되었습니다.

자기역학적 결합

이 방법에서는,[25] 전기자의 영구 자석에 의해서 발생하는 자기장에 의해서, 동기적으로 회전하는 2개의 회전 전기자(송신기 1개 및 수신기 1개)간에 전력이 송신된다.송신기 전기자는 전기 모터의 로터 또는 로터로 회전하며, 자기장이 수신기 전기자에 토크를 가하여 회전시킵니다.자기장은 [25]전기자 사이의 기계적 결합과 같은 역할을 합니다.수신기 전기자는 별도의 전기 발전기를 돌리거나 수신기 전기자 자체를 제너레이터의 로터로 사용하여 부하를 구동하는 전력을 생성합니다.

이 장치는 전기 자동차의 [25]비접촉 충전을 위한 유도 동력 전달의 대안으로 제안되었습니다.차고 바닥이나 연석에 내장된 회전 전기자는 차량 하부에 있는 수신기 전기자를 돌려 배터리를 [25]충전합니다.이 기술은 10~[25][79]15cm(4~6인치) 거리에서 90% 이상의 고효율로 전력을 전달할 수 있다고 알려져 있습니다.또, 회전 자석에 의해 발생하는 저주파 부유 자기장은, 유도 결합계에 의해 발생하는 고주파 자기장보다, 가까운 전자 장치에 대한 전자 간섭을 적게 발생시킨다.전기자동차를 충전하는 시제품 시스템이 브리티시컬럼비아 대학에서 2012년부터 가동되고 있다.그러나 다른 연구자들은 두 가지 에너지 변환(전기-기계-전기-전기)으로 인해 시스템이 유도 [25]커플링과 같은 전기 시스템보다 덜 효율적이라고 주장한다.

Zenneck 웨이브

Oruganti 등은 Zenneck 타입의 파동을 이용한 새로운 종류의 시스템을 제시했는데, 이 시스템에서는 평평한 금속-공기 인터페이스에서 Zenneck 타입의 파동을 자극하고 금속 [80][81][82]장애물을 넘어 전력을 전달하는 것이 가능하다는 것을 증명했다.이 발상은 금속-공기 인터페이스에서 국부적인 전하 진동을 자극하고, 그 결과 발생하는 모드는 금속-공기 [80]인터페이스를 따라 전파됩니다.

원거리(방사) 기술

원거리법에서는 거리가 디바이스의 직경보다 훨씬 큰 더 긴 범위(종종 수 km 범위)가 실현됩니다.높은 지향성 안테나 또는 잘 시준된 레이저 빛은 수신 영역의 형상에 맞는 에너지 빔을 생성합니다.안테나의 최대 지향성은 회절에 의해 물리적으로 제한됩니다.

일반적으로 가시광선(레이저로부터의)과 마이크로파(목적 설계 안테나로부터의)는 에너지 전달에 가장 적합한 전자파 방사 형태입니다.

구성요소의 치수는 송신기에서 수신기까지의 거리, 파장과 레일리 기준 또는 회절 한계에 의해 결정될 수 있으며, 이는 레이저에도 적용되는 표준 무선 주파수 안테나 설계에 사용됩니다.에어리의 회절 한계는 또한 개구부로부터 임의의 거리에 있는 대략적인 스폿 크기를 결정하기 위해 자주 사용됩니다.전자파 복사는 짧은 파장(높은 주파수)에서 회절량이 적기 때문에 예를 들어 청색 레이저가 적색 레이저보다 회절량이 적습니다.

Rayleigh 한계(Abe 회절 한계라고도 함)는 원래 이미지 해상도에 적용되었지만 반대로 볼 수 있으며, 빔(마이크로파 또는 레이저 빔 등)이 최소 반비례 속도로 거리에 걸쳐 분산됨에 따라 전자파의 조사 강도(또는 강도)가 감소하도록 지시합니다.적절한 크기송신 안테나의 조리개 또는 레이저의 출구 조리개 비율이 방사 파장에 비해 클수록 소형 빔에 방사선을 집중시킬 수 있다.

마이크로파 전력 송출은 레이저보다 효율적이며[clarification needed] 먼지나 안개 등의 에어로졸에 의한 대기 감쇠가 적습니다.

여기서 전력레벨은 상기 파라미터를 조합하여 안테나 특성 및 방사선이 통과하는 매체의 투명성 및 분산에 따른 이득과 손실을 가산함으로써 계산된다.이 프로세스는 링크버젯 계산이라고 불립니다

전자레인지

극초단파로 우주선이나 행성 표면에 에너지를 보낼 수 있는 태양 위성에 대한 예술가의 묘사.

전파를 통한 전력 전송은 보다 방향성을 높일 수 있으며, 일반적으로 마이크로파 [83]범위 내에서 보다 짧은 전자파 파장과 함께 장거리 전력 송출을 가능하게 합니다.리테나는 마이크로파 에너지를 전기로 되돌리기 위해 사용될 수 있다.95%를 넘는 렉테나 변환 효율이 [citation needed]실현되었습니다.마이크로파를 이용한 전력 송출은 궤도를 도는 태양광 발전 위성에서 지구로 에너지를 전송하기 위해 제안되었고 궤도를 떠나는 우주선으로의 전력 송출이 [84][85]고려되었다.

마이크로파에 의한 전력 송출은 회절제한 안테나 방향성으로 인해 대부분의 공간 어플리케이션에서 필요한 조리개 사이즈가 매우 커야 하는 어려움이 있습니다.예를 들어, 1978년 NASA의 태양광 발전 위성 연구는 2.45GHz의 [86]마이크로파 빔을 위해 직경 1km(0.62mi)의 송신 안테나와 직경 10km(6.2mi)의 수신 리텐나를 필요로 했다.이러한 크기는 짧은 파장을 사용하면 다소 줄일 수 있지만, 짧은 파장은 대기 흡수 및 비나 물방울에 의한 빔 차단에 어려움이 있을 수 있습니다."얇은 배열의 저주" 때문에, 여러 작은 위성들의 빔을 합쳐서 더 좁은 빔을 만드는 것은 불가능하다.

접지 방향 애플리케이션의 경우, 직경 10km의 대형 수신 어레이는 인간의 전자파 노출 안전을 위해 제안된 낮은 전력 밀도로 작동하면서 큰 총 전력 레벨을 사용할 수 있다.직경 10km 지역에 분산된 1mW/cm의2 인간 안전 전력 밀도는 750메가와트 총 전력 수준에 해당한다.이것은 많은 현대식 발전소에서 볼 수 있는 전력 수준입니다.비교를 위해 비슷한 규모의 태양광 발전 농장은 낮 동안 최상의 조건에서 10,000 메가와트(원형)를 쉽게 초과할 수 있다.

캐비티 마그네틱론으로 알려진 고출력 마이크로파 방출기의 개발을 본 제2차 세계 대전 이후, 마이크로파를 사용하여 전력을 전달하는 아이디어가 연구되었다.1964년까지 마이크로파 동력으로 움직이는 소형 헬리콥터가 시연되었다.[87]

일본인 연구원 야기 히데츠구도 자신이 설계한 지향성 배열 안테나를 이용해 무선 에너지 전송을 조사했다.1926년 2월, 야기는 동료 우다 신타로와 함께 현재 야기 안테나로 알려진 고이득 방향 튜닝에 관한 첫 논문을 발표했다.이 빔 안테나는 송전에는 특별히 유용하지 않지만 뛰어난 성능 [88]특성으로 인해 방송 및 무선 통신 업계 전반에 널리 채택되고 있다.

마이크로파를 사용한 무선 고출력 전송은 충분히 실증되어 있습니다.수십 킬로와트의 실험은 1975년 캘리포니아의[89][90][91] 골드스톤 딥 스페이스 통신 단지에서, 그리고 최근에는 리유니언 [92]섬의 그랜드 배신에서 수행되었다.이 방법들은 약 1킬로미터의 거리를 달성한다.

실험 조건 하에서 마이크로파 변환 효율은 1m에 [93]걸쳐 약 54%로 측정되었다.

LED와 유사한 마이크로파 방출기가 음의 저항(Gunn 또는 IMPATT 다이오드)을 사용하여 매우 높은 양자 효율로 만들어졌기 때문에 24GHz로 변경하는 것이 제안되었으며, 이는 단거리 링크에서 실현될 수 있을 것이다.

2013년 발명가 Hatem Zeine은 단계별 어레이 안테나를 사용한 무선 전력 전송이 최대 30피트까지 전력을 공급하는 방법을 시연했습니다.WiFi와 [94][95]동일한 무선 주파수를 사용합니다.

2015년, 워싱턴 대학의 연구진은 와이파이 [96][97]라우터의 전송을 사용하여 배터리를 세류 충전하고 배터리가 없는 카메라와 온도 센서를 구동하는 파워 오버 와이파이(Power over Wi-Fi)를 도입했다.Wi-Fi 신호는 배터리가 없는 온도와 최대 20피트 범위에서 카메라 센서에 전력을 공급하는 것으로 나타났습니다.또한 Wi-Fi를 사용하여 최대 28피트 거리에서 니켈-금속 수소화물 및 리튬-이온 코인 전지 배터리를 무선으로 충전할 수 있는 것으로 나타났습니다.

2017년 연방통신위원회(FCC)는 무선전력의 [98]첫 중간장 무선주파수(RF) 송신기를 인증했다.2021년 FCC는 약 900MHz의 주파수를 사용하여 근거리 및 원거리 방법을 결합한 무선 충전 시스템(OTA)에 대한 면허를 부여했습니다.약 1W의 복사 전력으로 인해 이 시스템은 다양한 센서, 추적기, 검출기 및 [99]모니터와 같은 소형 IoT 장치를 대상으로 합니다.

레이저

광전지 패널을 중심으로 한 레이저 빔은 경량 모형 비행기가 날 수 있도록 충분한 전력을 공급한다.

스펙트럼의 가시영역(.2~2마이크로미터)에 가까운 전자방사선의 경우 전기를 수광해 광전지(태양전지)[100][101]에 집광하는 레이저빔으로 변환함으로써 전력을 전달할 수 있다.이 메커니즘은 전력을 전기 에너지로 변환할 수 있는 수신기에서 송출하기 때문에 일반적으로 '파워 빔링'으로 알려져 있습니다.수신기에는 단색광 변환에 최적화된 특수 태양광 레이저 전력 변환기가 적용된다.[102]

다른 무선 방식에 비해 장점은 다음과 같습니다.[103]

  • 콜리메이트된 단색 파면 전파를 통해 원거리 전송을 위한 좁은 빔 단면적을 허용합니다.그 결과, 송신기에서 수신기로의 거리를 늘려도 전력의 감소는 거의 또는 전혀 없다.
  • 콤팩트 사이즈: 솔리드 스테이트 레이저를 소형 제품에 장착 가능.
  • 와이파이, 휴대폰 등 기존 무선통신에 대한 무선주파수 간섭이 없다.
  • 액세스 컨트롤: 레이저에 맞은 리시버만이 전력을 공급받습니다.

단점은 다음과 같습니다.

  • 레이저 방사선은 위험합니다.적절한 안전 메커니즘이 없다면 낮은 전력 수준은 인간과 다른 동물들의 눈을 멀게 할 수 있다.높은 전력 레벨은 국소적인 스폿 가열에 의해 사망할 수 있습니다.
  • 전기와 빛의 변환은 제한되어 있다.광전지는 최대 40%~50%[104]의 효율을 달성합니다.
  • 대기 흡수, 구름, 안개, 비 등에 의한 흡수 및 산란 등은 최대 100%의 손실을 일으킨다.
  • 목표물과 직접 조준해야 합니다.(레이저광은 수신기에 직접 비추는 것이 아니라 광섬유로 유도할 수도 있다.다음으로 파이버 파워오버 테크놀로지에 대해 설명하겠습니다.)

레이저 '파워비밍' 기술은 군사[105][106][107] 무기와 항공우주[108][109] 분야에서 탐구되었다.또한 산업환경에서 다양한 종류의 센서에 전력을 공급하기 위해 사용된다.최근에는 상업용 및 가전제품용으로 개발되고 있습니다.소비자 공간에 레이저를 사용하는 무선 에너지 전송 시스템은 IEC 60825에 [citation needed]따라 표준화된 레이저 안전 요건을 충족해야 합니다.

소비자 애플리케이션에 레이저를 사용하는 최초의 무선 전력 시스템은 2018년에 시연되었습니다. 이 시스템은 방 전체에 걸쳐 정지해 있고 움직이는 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.이 무선 전원 시스템은 IEC 60825 표준에 따른 안전 규정을 준수합니다.또한 미국 식품의약국(FDA)[110]의 승인을 받았습니다.

다른 세부사항으로는 전파,[111] 일관성 및 범위 제한 [112]문제가 있습니다.

Geoffrey[113][114][115] Landis는 특히 우주와 달 임무를 위한 태양광 발전[116] 위성과 레이저 기반 에너지 전달의 선구자 중 한 명이다.안전하고 빈번한 우주 임무에 대한 요구는 레이저로 움직이는 우주 [117][118]엘리베이터에 대한 제안으로 귀결되었다.

나사의 드라이든 비행 연구 센터는 레이저 [119]광선으로 움직이는 경량 무인 모형 비행기를 시연했다.이 개념 실증에서는 레이저 빔 시스템을 사용한 정기적인 충전의 실현 가능성을 보여 줍니다.

중국 과학원의 과학자들은 휴대용 기기나 무인 항공기에 [120]무선으로 충전하기 위해 이중 파장 레이저를 사용하는 개념 증명을 개발했다.

대기 플라즈마 채널 커플링

다음 항목도 참조하십시오.일렉트로레이저

대기 플라즈마 채널 커플링은 이온화된 [121]공기를 통한 전기 전도에 의해 2개의 전극 간에 에너지가 전달된다.두 전극 사이에 해수면 기압에서 센티미터당 34킬로볼트를 초과하는 전계 구배가 존재할 경우 전기 아크가 발생합니다.[122]이 대기 유전체 파괴는 두 전극 사이의 이온화된 플라즈마 채널을 통해 무작위 궤적을 따라 전류가 흐르게 합니다.이것의 예로는 자연 번개가 있는데, 한 전극은 구름의 가상 지점이고 다른 전극은 지구의 한 지점입니다.레이저 유도 플라즈마 채널(LIPC) 연구는 현재 초고속 레이저를 사용하여 플라즈마 채널의 개발을 인위적으로 촉진하고 전기 아크를 유도하며 제어 가능한 방식으로 [123]특정 경로를 통해 전류를 유도하는 연구가 진행 중입니다.레이저 에너지는 대기 유전 파괴 전압을 감소시키고 과열로 인해 공기의 절연성이 낮아져 공기 [124]필라멘트의 밀도( p를 낮춥니다.

이 새로운 과정 레이저 피뢰침으로 사용하고 기존의 라디오 antennas,[126]신청 div용 전기 용접/machining,[127][128]와 관련된 대용품으로 수단 인공 대기 전파 연구에 대한 자연스러운 번개 채널 studies,[125]에 구름에서 번개 발생할 것으로 탐구되고 있다.안녕에서 erting 힘gh-전압 캐패시터 방전은 접지 복귀 [129][130][131][132]경로를 통한 전기 전도 및 전자 교란(jaming)[133]을 사용하는 지향 에너지 무기 애플리케이션에 사용됩니다.

에너지 수집

주요 기사:에너지 수집

무선 전력의 맥락에서 에너지 수집은 주로 소형 자율 무선 전자 [134]장치에 전력을 공급하기 위해 주변 에너지를 환경에서 전력으로 변환하는 것을 말합니다.주변 에너지는 부유 전기장 또는 자기장 또는 근처 전기 장비에서 나오는 전파, 빛, 열 에너지(열) 또는 장치의 [134]진동이나 움직임과 같은 운동 에너지에서 발생할 수 있습니다.변환 효율은 보통 낮고, 전력(밀리와트 또는 마이크로와트)[134]이 미미한 경우가 많지만, [134]많은 분야에서 증가하고 있는 리모트 센서 등의 소형 마이크로파워 무선 디바이스의 가동이나 충전에 충분합니다.이 신기술은 배터리 교체나 충전이 필요 없어 완전히 [135][136]자율적으로 작동할 수 있도록 개발되고 있다.

역사

19세기의 발전과 막다른 골목

19세기에는 전기 에너지가 어떻게 전달될 수 있는지에 대한 이론과 반론이 많이 발전했다.1826년, 앙드레 마리 암페르는 전류와 자석 사이의 연관성을 발견했습니다.마이클 패러데이는 1831년에 시간 가변 자속에 의해 도체 루프의 전류를 구동하는 기전력을 유도하는 법칙으로 기술했습니다.전선 없이 전기 에너지를 전달하는 것은 많은 발명가들과 [137][138][139]실험자들에 의해 관찰되었지만, 일관성 있는 이론의 부족은 이러한 현상을 막연히 전자기 유도 [140]탓으로 돌렸다.이러한 현상에 대한 간결한 설명은 전자파 에너지의 "무선" 운반체로서의 전자파의 존재를 예측하면서 전자기에 전기와 자성을 통합한다는 이론을 확립한 1860년대 맥스웰의 방정식에서[51] 나올 것이다.1884년경 존 헨리 포인팅은 포인팅 벡터를 정의하고 포인팅의 정리를 제시했는데, 이것은 전자기 복사 내의 영역에 걸친 힘의 흐름을 기술하고 무선 전력 전달 [51][141]시스템의 정확한 분석을 가능하게 한다.그 [141]후 하인리히 루돌프 헤르츠가 1888년에 전파에 대한 증거를 포함한 이론을 검증했다.

같은 기간 무선 시그널링의 두 가지 방식이 윌리엄 헨리 워드(1871)와 말론 루미스(1872)에 의해 제시되었는데, 이는 낮은 [142][143]고도에서 접근할 수 있는 전기화된 대기층이 있다는 잘못된 믿음에 바탕을 두고 있었다.두 발명가의 특허는 "지구 전류"를 사용하는 귀환 경로와 연결된 이 층이 무선 전신과 인공 배터리를 위한 전력 공급을 허용하고 조명, 열 및 동력 [144][145]동력에도 사용될 수 있다는 점에 주목했다.아모스 돌베어의 1879년형 마그네토 전기전화로 전도에 의한 무선전송에 대한 보다 실용적인 시연은 4분의 [146]1마일 이상의 거리를 전송하기 위해 지상전도를 사용했다.

테슬라

Tesla는 1891년 Columbia College 강연에서 "정전기 유도"에 의한 무선 전송을 시연했습니다.두 개의 금속 시트는 테슬라 코일 발진기에 연결되어 고전압 무선 주파수 교류 전류를 인가합니다.시트 사이의 진동하는 전계는 그의 손에 있는 두 개의 긴 가이슬러 튜브에 있는 저압 가스를 이온화시켜 네온관처럼 빛을 발하게 한다.

1890년 이후, 발명가 니콜라 테슬라는 현재 [51][53][147]테슬라 코일이라고 불리는 스파크 들뜸 무선 주파수 공진 변압기를 사용하여 유도성 및 용량성 결합에 의한 동력 전달을 실험했습니다.초기에 그는 근거리 유도 및 정전식[53] 커플링에 기반한 무선 조명 시스템을 개발하려고 시도했고,[53][147][148] 게이슬러 튜브와 백열전구를 무대 위에서 켜는 일련의 공개 데모를 수행했습니다.그는 송신기의 LC [52]회로와 공진하도록 조정된 수신 LC 회로를 사용하여 램프를 켤 수 있는 거리를 늘릴 수 있었습니다.공명 유도 [53][54]커플링을 사용합니다.테슬라는 이 연구결과를[149] 바탕으로 상용화에는 실패했지만 공명유도결합 방식은 현재 전자제품 분야에서 널리 사용되고 있으며 단거리 [53][150]무선전원시스템에도 적용되고 있다.

(왼쪽) Colorado Springs 1899에서 Tesla에 의한 공명 유도 전달 실험.코일은 근처에 있는 테슬라의 확대 송신기와 공진하여 하단에 있는 전구에 전력을 공급합니다.테슬라의 실패한 워든클리프 발전소입니다

테슬라는 무선 배전 시스템을 개발했는데, 그는 이 시스템이 장거리 전력을 가정과 공장에 직접 전달할 수 있는 무선 배전 시스템을 가정과 공장에 직접 설치했다.초기에 그는 말론 [151][152]루미스의 아이디어를 빌려 고도 3만 피트(9,100 m) 상공의 공기에서 전극 송수신을 중단하는 풍선으로 구성된 시스템을 제안했는데, 그 압력으로 인해 고압(수백만 볼트의 전압)을 멀리 보낼 수 있을 것이라고 생각했다.저압 공기의 전도성을 더 연구하기 위해 그는 [153][154][155]1899년 콜로라도 스프링스의 높은 고도에 시험 시설을 설치했습니다.메가볼트 범위에서 작동하는 큰 코일로 그가 수행한 실험과 번개의 전자 소음에 대한 그의 관찰은 그가 지구 전체를 전기 에너지를 전도하기 위해 사용할 수 있다는 잘못된[156][146] 결론을 내리게 했다.이 이론은 지구의 전위를 진동시키기 위해 높은 정전용량에 반하여 작동하는 접지된 테슬라 코일에서 공진 주파수로 교류 펄스를 지구로 구동하는 것을 포함했다.테슬라는 이를 통해 지구 상의 어느 지점에서든 공명하도록 조정된 유사한 정전식 안테나를 통해 교류 전류를 수신할 수 있을 것이라고 생각했습니다.[157][158][159]그의 관찰은 또한 수백 피트의 고도에 있는 코일에 사용되는 고전압이 그의 [160][161]대기 귀환 회로를 만들기 위해 풍선에 매달려 있는 수 마일의 케이블을 제거하면서 "공기층을 파괴할 것"이라고 믿게 만들었다.테슬라는 내년에 정보와 파워를 [162][163]전 세계에 방송하는 "세계 무선 시스템"을 제안할 것이다.1901년 뉴욕 쇼어햄에서 그는 현재 워든클리프 타워라고 불리는 대형 고전압 무선 발전소를 건설하려고 시도했지만, 1904년까지 투자가 고갈되었고 그 시설은 결코 완공되지 않았다.

근거리 및 비방사성 기술

인근 와이어 코일 간의 유도 전력 전송은 1800년대 변압기가 개발된 이래 최초로 개발된 무선 전력 기술입니다.유도 가열은 1900년대 초부터 사용되었으며 유도 요리에 [164]사용됩니다.

무선 장치의 등장으로, 전기 칫솔이나 전기 면도기 같은 젖은 환경에서 사용되는 전기 기기를 위해 전기 충격의 위험을 없애기 위해 유도 충전 스탠드가 개발되었습니다.유도 전달의 최초 적용 사례 중 하나는 전기 기관차에 전력을 공급하는 것이었습니다.1892년 Maurice Hutin과 Maurice Leblanc는 3kHz의 [165]선로 전선에 유도적으로 결합된 공명 코일을 사용하여 철도 열차에 전력을 공급하는 무선 방식을 특허 취득했습니다.

1960년대 초에는 공명 유도 무선 에너지 전달이 심장 박동기와 인공 심장과 같은 장치를 포함한 이식형 의료[166] 기기에 성공적으로 사용되었습니다.초기 시스템은 공명 수신기 코일을 사용했지만, 이후 시스템은[167] 공명 송신기 코일도 구현했습니다.이러한 의료 기기는 코일의 정렬 오류와 동적 비틀림을 효율적으로 수용하면서 저전력 전자 장치를 사용하여 고효율로 설계되었습니다.이식 가능한 애플리케이션에서 코일 사이의 간격은 일반적으로 20cm 미만입니다.오늘날 공명 유도 에너지 전달은 상용화된 많은 의료용 이식형 [168]장치에서 전력을 공급하기 위해 정기적으로 사용됩니다.

최초의 패시브 RFID(Radio Frequency Identification) 기술은 Mario[169] Cardullo(1973년)와 Koelle [170]등(1975년)에 의해 발명되었으며 1990년대 근접 카드와 비접촉형 스마트 카드에 사용되었다.

최근 수십 년 동안 휴대폰, 태블릿, 노트북과 같은 휴대용 무선 통신 장치의 확산으로 인해 [171]충전 중에 이러한 장치를 벽면에 연결할 필요가 없어지는 미드레인지 무선 전력 공급 및 충전 기술의 개발이 추진되고 있습니다.Wireless Power Consortium은 제조업체 [171]간에 상호 운용 가능한 표준을 개발하기 위해 2008년에 설립되었습니다.2009년 8월에 발표된 Qi 유도 전력 규격에 따라 4cm(1.6인치)[172] 거리에서 최대 5와트의 고효율 충전 및 전력 공급이 가능합니다.무선 장치는 평평한 충전기 플레이트(예를 들어 카페의 테이블 상판에 삽입할 수 있음)에 배치되어 있으며 충전기의 평평한 코일에서 장치 내의 유사한 코일로 전원이 전달됩니다.2007년 MIT의 Marin Soljazich가 이끄는 팀은 직경 25cm의 10MHz 보조 튜닝된 이중 공명 송신기를 사용하여 60W의 전력을 2m(6.6ft) 거리에 걸쳐 유사한 이중 공명 수신기에 약 40%의 [53][56]효율로 전달했습니다.

2008년 Nevada Lightning Lab의 Greg Leyh와 Mike Kennan 팀은 60kHz로 튜닝된 직경 57cm의 접지 이중 공명 송신기와 유사한 접지 이중 공명 수신기를 사용하여 12m(39ft)[173] 거리의 접지 전류 리턴 회로와 결합된 전기장을 통해 전력을 전달했습니다.2011년 크리스토퍼 A 박사.Tucker와 Kevin Warwick 교수는 테슬라의 1900년 특허를 미니어처로 재현하고 코일 직경 10cm(3.9인치)의 4m(13피트) 이상의 동력 전달을 27.50MHz의 공진 주파수로 60%의 [174]효율로 시연했다.

전자레인지 및 레이저

제2차 세계대전 이전에는 무선 [91]송전에는 거의 진전이 없었다.무선은 통신용으로 개발되었지만, 상대적으로 저주파 전파가 모든 방향으로 퍼져 있고 [51][91]수신기에 거의 에너지가 도달하지 않았기 때문에 전력 전송에 사용할 수 없었다.무선통신에서 수신기에서 증폭기는 다른 소스로부터의 에너지를 이용해 약한 신호를 증폭한다.전력 전송을 위해 효율적인 전송을 위해서는 [51][91][175]수신기를 향해 좁은 빔에 초점을 맞출 수 있는 고주파 마이크로파를 생성할 수 있는 송신기가 필요했다.

제2차 세계대전 중 클라이스트론, 마그네트론 튜브, 포물선 [91]안테나 등 마이크로파 기술의 발달로 처음으로 방사(원거리) 방식이 실용화되었고, 1960년대 윌리엄 C에 의해 최초의 장거리 무선 전력 전송이 이루어졌다. 1964년 [51]브라운은 전자파를 DC전원으로 효율적으로 변환하는 직류전원을 발명했고 1964년 최초의 무선비행기, 즉 [91]지상에서 전자파를 송출하는 모형 헬리콥터로 그것을 시연했다.1970년대와 1980년대 마이크로파 연구의 주된 동기는 태양광 발전 [51][91]위성을 개발하는 것이었다.1968년 피터 글레이저에 의해 고안되어 태양전지를 사용하여 태양전지에서 에너지를 채취하여 전자레인지로 지구로 보내서 거대한 직장으로 보내 [176]전력망의 전기 에너지로 변환한다.JPL/Raytheon 프로그램의 기술 책임자로서의 획기적인 1975년 실험에서 Brown은 마이크로파 전력 475W를 1마일 떨어진 직류 안테나로 전송하여 장거리 전송을 시연했으며, 마이크로파 대 DC 변환 효율은 54%[177]였습니다.NASA의 제트 추진 연구소에서 그와 로버트 디킨슨은 30kW DC 출력 전력을 2.38GHz 마이크로파로 26m 접시에서 7.3x3.5m 직류 안테나 어레이로 1.5km에 걸쳐 전송했다.사고-RF에서 직류로의 직류 변환 효율은 80%[178]였습니다.1983년 일본은 전리층을 [citation needed]통한 고출력 마이크로파의 전달을 테스트하는 로켓 실험인 마이크로파 이온층 비선형 상호작용 실험(MINIX)을 시작했다.

최근 몇 년 동안 연구의 초점은 1959년 브라운의 연구를 후원한 국방부의 RAMP(Raytheon Airlic Microw Platform) 프로젝트로[91] 시작된 무선 동력 드론 항공기 개발이었다.1987년 캐나다의 통신 연구 센터는 통신 위성과 유사한 지구상의 지점들 사이의 통신 데이터를 중계하기 위해 고정식 고고도 중계 플랫폼(SHARP)이라고 불리는 작은 시제품 비행기를 개발했다.렉테나로 구동되는 이 비행기는 고도 21km에서 비행할 수 있으며 몇 달 동안 높은 곳에 머무를 수 있다.1992년에 교토 대학의 팀은 MILAX라고 불리는 더 진보된 비행선을 만들었다.

2003년에 나사는 최초의 레이저 동력 항공기를 조종했다.소형 비행기의 모터는 지상 레이저의 적외선 빔에서 광전지로 발생하는 전기로 작동했고 제어 시스템은 레이저가 비행기를 향하게 했다.

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레퍼런스

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    그 당시 나는 휴스턴 스트리트에 있는 내 실험실에서 했던 일 외에 아무것도 할 수 없다면 상업용 공장을 세울 수 있다고 확신했다. 그러나 나는 이미 계산했고 이 방법을 적용하기 위해 큰 높이가 필요하지 않다는 것을 알았다.제 특허에 따르면 터미널의 "또는 그 근처"에서 분위기를 분해할 수 있습니다.만약 나의 전도성 분위기가 공장보다 2, 3마일 위에 있다면, 나는 이것을 태평양 건너편에 있는 수신 터미널의 거리에 비해 터미널에서 매우 가깝다고 생각한다.그것은 단순한 표현이다.어떤 장치를 만들 수 있다면전력을 전달할 수 있을 거라고 생각했어요나중에 보여드릴게요저는 수백 피트 정도의 적당한 높이로 공기층을 파괴할 수 있는 장치를 만들고 특허를 냈습니다.
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추가 정보

서적 및 기사
특허
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외부 링크

  • 「무선 전력의 구조」– 유도 및 방사선 기술을 사용한 근거리 및 미드레인지 무선 전력 전송에 대해 설명합니다.
  • 마이크로파 전력 전송 – 1980년 이전의 역사.
  • 고정식 고고도 릴레이 플랫폼(SHARP) – 마이크로파 빔 전원 공급.
  • Marin Soljachichi의 MIT WiTricity – 무선 전력 전송 페이지.
  • Rezence – Alliance for Wireless Power가 추진하는 무선 전력 표준 공식 사이트
  • Qi – Wireless Power Consortium이 추진하는 무선 전력 표준 공식 사이트
  • PMA – Power Matters Alliance가 추진하는 무선 전력 표준 공식 사이트
  • WiPow – WiPow 연합 공식 사이트.의료, 모바일, 바퀴 달린 디바이스의 표준화된 무선 파워를 홍보합니다.