МЕЧТАЯ О ПЕРЕДАЧЕ ЭНЕРГИИ ПО ВОЗДУХУ
Каждое поколение инженеров мечтает о передаче энергии по воздуху. Тесла лихо продемонстрировал это в 1891 году, используя магнитную индукцию. С тех пор еще много людей пытались это сделать:
В 1975 году НАСА продемонстрировало перенос на большие расстояния с магнитной индукцией на микроволновых частотах.
В 2009 году компания WiTricity продемонстрировала питание телевизора с помощью магнитной индукции.
В 2011 году uBeam продемонстрировала передачу энергии с помощью ультразвука.
В 2013 году компания Ossia продемонстрировала передачу 1 Ватта на пару метров с использованием множества передатчиков Wi-Fi
В 2015 году компания Energous продемонстрировала питание iPhone на расстоянии 5 метров с использованием магнитной индукции на микроволновых частотах.
В июле 2016 года Yank Technologies опубликовала видео о своей концепции беспроводной зарядки Motherbox, а в сентябре 2016 года-первое демонстрационное видео. В марте 2017 года они собрали деньги на Indigogo.
Весной 2016 года была основана компания PowerSphyr. В январе 2017 года они объявили о планах предложить свое первое решение для беспроводного питания на рынке в третьем квартале 2017 года и чипсеты в начале 2018 года.
В сентябре 2017 года Pi объявила, что они являются "первой компанией, которая поставила действительно беспроводное зарядное устройство для потребителей. Его тайная сила? Наша запатентованная платформа: первый в мире алгоритм формирования магнитного поля". "Pi поставляется в виде базовой станции в форме конуса"
В январе 2021 года Reasonance продемонстрировала еще один телевизор с беспроводным питанием
До сих пор ни одна из этих демонстраций или концепций не привела к коммерческому продукту. Что же так затрудняет переход от "доказательства концепции" к готовому к рынку продукту?
Видео выше демонстрируют желаемые преимущества, такие как:
а) Расстояние передачи (= как далеко я могу переместить приемник от передатчика?)
b) Уровень мощности (=скорость зарядки)
c) Пространственная свобода (= насколько точно мне нужно расположить приемник?)
Эти преимущества являются функциональными требованиями беспроводной передачи энергии.
Интересно, что именно нефункциональные требования представляют собой самые большие препятствия для разработки, которые необходимо устранить при выходе на рынок готовых продуктов. Примеры нефункциональных требований-вещей, которые потребители по праву считают само собой разумеющимися, - включают безопасность, радиочастотные помехи (RFI), эффективность передачи энергии и стоимость. Эти важные элементы игнорируются в вышеупомянутых демонстрациях или рассматриваются как проблема, с которой необходимо разобраться позже в ходе разработки продукта. К сожалению, эти нефункциональные требования являются сложными и реальными проблемами, которые труднее преодолеть, чем функциональные требования. Эти проблемы нефункционального дизайна являются причиной того, что эта мечта продолжает ускользать от реальности, начиная с оригинальных экспериментов Теслы более 100 лет назад.
Давайте рассмотрим несколько нефункциональных требований к несвязанной беспроводной зарядке по одному:
Безопасность
Знаете ли вы о пределах безопасности при воздействии на человека радиочастотных электромагнитных полей? Правительственные постановления устанавливают ограничения на уровни мощности, которым могут подвергаться люди. Правила, зачастую, основаны на таблицах ICNIRP коэффициентов селективного поглощения. Эти правила ограничивают максимальную выходную мощность и, косвенно, ограничивают достижимую дальность передачи.
Электромагнитные поля RFI, создаваемые одним продуктом, могут создавать помехи для других продуктов. Вы не хотите, чтобы беспроводное зарядное устройство в комнате мешало работе кардиостимуляторов человека в комнате. Это очевидный риск, но с ним также относительно легко справиться, потому что кардиостимуляторы хорошо защищены от помех. Менее очевидным и более сложным в работе является RFI с приемниками NFC, приемом Wi-Fi, базовыми станциями мобильных телефонов и автомобильной электроникой. Выбор рабочей частоты, используемой для передачи мощности, может помочь: выбор более высокой частоты (например, 6,78 МГц или 5 ГГц) усложняет проблему.
Эффективность
Не все потребители обеспокоены эффективностью беспроводной связи, но правительства и неправительственные организации обеспокоены. Запуск продуктов, расходующих энергию впустую, может нанести ущерб корпоративным брендам. И энергозависимые регуляторы, такие как Комиссия по энергетике Калифорнии, могут вмешаться, чтобы ограничить продажу сомнительного продукта.
В более ранних видеороликах на YouTube была затронута тема эффективности. Видео НАСА заявило об эффективности 82%. Однако 82% относится к преобразованию RF в постоянный ток внутри массива приемников. Он не учитывает потери во время передачи, и он не учитывает потери в передатчике.
Часто встречаются вводящие в заблуждение утверждения, и ведущие этого видео НАСА были чувствительны к значительным проблемам эффективности. Видео НАСА допускает некоторые вольности, но, по крайней мере, они объяснили, как они измерили 82%. Фактические цифры-500 кВт передано и 34 кВт получено. Это на 7% эффективнее-и это не учитывает потери внутри передатчика. Понятно, почему НАСА предпочитает использовать число 82.
Продукт, который заряжает мобильные устройства с эффективностью всего 7%, по сегодняшним стандартам нежизнеспособен. Ответственным поставщикам следует дважды подумать, прежде чем использовать этот тип технологии в своих продуктах, и регулирующие органы не будут благосклонно относиться к этим неэффективным продуктам.
Стоимость
Далее, очевидно, что стоимость является важным фактором для потребительских товаров массового рынка. Функция беспроводной зарядки, которая стоит 10 долларов США в виде дополнительных компонентов, производственных затрат и лицензионных сборов, приведет к тому, что очень немногие телефоны действительно будут включать эту функцию. Беспроводное зарядное устройство за 999 долларов - это сложная сделка, особенно если для зарядки требуется несколько приемников. Продукты должны соответствовать определенным потребителем ценам, чтобы добиться массового внедрения на рынке.
Важнейшие вопросы, которые необходимо задать об “Энергии по воздуху”
Когда вы получаете предложение рассмотреть эти технологии дальнего действия или “Энергии по воздуху” в качестве разработчика продукта или инвестора, есть несколько ключевых вопросов, которые заслуживают обоснованных ответов, некоторые из них включают:
Можете ли вы ознакомиться с техническим анализом уровней радиочастотного воздействия (рекомендации ICNIRP), вызванных продуктом для предлагаемого подхода? Если нет, то почему?
Позволят ли они вам измерить их демонстрационную систему для RFI и радиочастотного воздействия в независимой лаборатории? Как насчет эффективности, позволят ли они вам измерить это самостоятельно?
Каковы требования к безопасности, RFI и эффективности вашей собственной компании?
Может ли рассматриваемая вами технология соответствовать вашим требованиям безопасности, RFI и эффективности, а также функциональным требованиям? Как он это делает?
Как они измеряют эффективность? Измеряют ли они его в диапазоне нагрузок и в диапазоне положений X/Y/Z или только в одном “приятном месте”? Знают ли они абсолютную наихудшую и наилучшую эффективность, с которой столкнется пользователь? Если нет, то почему бы и нет?
Видели ли вы технические детали и строгость, показывающие, что это возможно (или просто маркетинговая шумиха, "слайды" и крутые демонстрации?)
Какова цена, которую вам нужно достичь? Можете ли вы получить предложение на компоненты или продукты с указанием цен, объема и сроков поставки? Есть ли у них подробная дорожная карта по снижению затрат?
Такие издания, как Seeking Alpha, IEEE-Spectrum и Techcrunch, предлагают скептический анализ и ищут ответы на те же вопросы, что и выше, на основе заявлений некоторых из этих начинающих стартапов, а именно углубляются в нефункциональные требования: безопасность и эффективность.
В этом интервью с Полом Рейнольдсом о состоянии беспроводной зарядки на дальние расстояния приводится недавняя (март 2019 года) обновленная информация о "питании по воздуху".
Передача энергии на большие расстояния по воздуху сегодня доступна в реальных продуктах, но только при сверхнизком уровне мощности
Эти недоказанные попытки заряжать мобильные телефоны на дальних дистанциях продолжают привлекать большое внимание прессы. Однако промышленные приложения не признаются, хотя они кажутся более реалистичными. Возьмем, к примеру, компанию Powercast, которая использует передатчик мощностью 3 Вт для передачи микроватт по воздуху. Уровень радиочастотного воздействия и диапазон частот такие же, как у базовой станции Wi-Fi. Это выглядит жизнеспособным. Вы также заметите отсутствие вопиющих претензий к эффективности. Эффективность не является проблемой, когда вы передаете только 3 Вт и передаете в микроваттах. Другой пример, IMEC обеспечивает питание датчиков в промышленном применении (сельское хозяйство в стеклянном доме), также на уровне микроватт.
Достижение массового внедрения на рынке с помощью безопасной, эффективной и экономичной технологии беспроводного питания
Передача энергии по воздуху сегодня возможна для промышленных применений сверхнизкой мощности. Зарядка мобильных устройств по воздуху в обозримом будущем останется невозможной - нефункциональные требования делают это невозможным.
Помимо подходов дальнего действия, слабо связанные подходы к беспроводному питанию 6,78 МГц остаются в демонстрационной фазе с повторными невыполненными обещаниями* обеспечить коммерческую общедоступность. Массовое внедрение на рынок слабо связанных продуктов с частотой 6,78 МГц по-прежнему откладывалось и вытеснялось. Причины этих неоднократных задержек никогда не разглашались публично, но можно предположить, что это связано с проблемами с нефункциональными требованиями.
Qi представляет собой единственную беспроводную технологию питания, которая действительно перешла от демонстрационного к массовому внедрению на рынке в потребительских коммерчески продаваемых зарядных устройствах. Сегодня было продано от 50 до 100 миллионов зарядных устройств Qi, причем более 150 миллионов смартфонов имеют приемник Qi внутри. Основные причины этого заключаются в том, что Qi доказал свою безопасность, эффективность, не влияет на чувствительную автомобильную электронику и может быть реализован по правильной (низкой) цене.
