Transmisión de energía inalámbrica: estado del arte y perspectivas

 Resumen – Este artículo trata sobre la transmisión inalámbrica de energía (WPT) y su principal aplicación futurista, la energía solar basada en el espacio (SSP). En la primera parte se presenta el papel decisivo desempeñado por el físico Nikola TESLA en el desarrollo de la industria eléctrica, sus principales aportaciones concretas y sus intuiciones proféticas sobre la energía inalámbrica. También se recuerdan los fundamentos de la física del dominio. En la segunda parte se presentan los principales experimentos realizados hasta el momento en el ámbito de la TIP, así como los diferentes enfoques técnicos disponibles en este campo. Se describen brevemente algunas aplicaciones actuales de la TIP a baja potencia. En la tercera parte se presenta un estudio del estado actual de los proyectos de SSP. Copyright © 2019 Premio Digno de Alabanza S.r.l. - Reservados todos los derechos

Palabras clave: Cosecha, Rectenna, Energía solar espacial, Transmisión inalámbrica de energía

 Símbolos de nomenclatura

  Operador de rizo  Operador de divergencia B Campo de inducción magnética en V s m -2 D Campo de inducción eléctrica en A s m -2 E Campo eléctrico en V m - 1 E Fuerza electromagnética en V f,  Frecuencia en Hz H Campo magnético en H m -1 I Corriente eléctrica en A j Densidad de corriente en A m -2 m Relación del transformador (adimensional) n1, n2 Número de vueltas (adimensional) P Potencia en W r Distancia en m Sp Vector de densidad de potencia de Poynting en W m -2 U Voltaje en V Z Impedancia eléctrica en   Flujo de inducción magnética en Wb  Celeridad de onda en m s -1  Permitividad eléctrica en F m -1  Fase angular en rad  Longitud de onda en m  Permeabilidad magnética en H m -1 q Densidad de cargas eléctricas en A s m -2  Conductividad eléctrica en  -1 m -1  Pulsación en rad s

-1 Acrónimos 

AC Corriente alterna

 DC Corriente continua 

EN Estándar europeo 

ESA Agencia Espacial Europea 

FET Transistor de efecto de campo 

FSS Superficie selectiva de frecuencia 

GEO Órbita terrestre geoestacionaria Apagado de puerta GTO 

IEC Comisión Electrotécnica Internacional 

IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos 

IGBT Puerta aislada Transistores bipolares 

ISM Banda de frecuencia para aplicaciones industriales, científicas y médicas

 JAXA Japón Agencia de Exploración Aeroespacial 

LEO Órbita Terrestre Baja MEO Órbita Terrestre Media 

MOS Óxido Metálico Semiconductor 

NASA Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio 

NASDA Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japón PV Fotovoltaico RF Radiofrecuencia 

RFID Identificador de radiofrecuencia RTE Réseau de Transport d'Électricité SERT Espacio Energía solar Investigación y tecnología exploratorias 

SSP Energía solar basada en el espacio 

EE. UU. Estados Unidos de América 

USAF Fuerza Aérea de los Estados Unidos WPT Transmisión inalámbrica de energía 

I. Introducción

 La transferencia de energía eléctrica sin cables ha sido durante mucho tiempo un sueño para los ingenieros eléctricos, al menos desde finales del siglo XIX. El siglo diecinueve. Los primeros experimentos llevados a cabo en ese momento sobre este proceso no han tenido éxito; por lo tanto, hasta hace poco el proceso se ha considerado casi desesperado. Sin embargo, hoy en día, debido al progreso técnico y científico en general, y más precisamente al progreso de los componentes electrónicos, de las capacidades de modelado y experimentación, el tema encuentra un nuevo interés y comienzan a aparecer aplicaciones, entre las cuales algunas ya son populares. , como cargadores de teléfonos móviles y tarjetas de crédito sin contacto. 

 objetivo de este artículo es, después de algunos recordatorios sobre el nacimiento de la técnica de transmisión inalámbrica de energía (WPT), recordar algunos principios físicos que determinan el dominio de aplicación accesible para WPT, con el fin de describir algunas aplicaciones importantes existentes y las actuales. investigación, y finalmente evocar las perspectivas así abiertas para esta técnica. 

II. El nacimiento de la WPT: los proyectos y expectativas de Tesla II.1. Tesla: sus principales descubrimientos El campo técnico de la transmisión de energía eléctrica en general tiene una deuda considerable con el inventor Nikola Tesla (1846-1943). Los dos principios universalmente aplicados hoy en día en todo el mundo para la transmisión de energía por cable provienen directamente de su obra: 

a) el uso de corriente alterna (AC) en lugar de corriente continua (DC) permite cambiar el nivel de tensión, es decir, aumentar y disminuyéndolo; esto permite combatir el efecto Joule resistivo para la transmisión de energía, a largas distancias y por tanto permite esta transmisión con pérdidas térmicas aceptables.

b) el acondicionamiento de la energía como sistemas multifásicos (generalmente sistemas trifásicos) permite la creación de campos magnéticos giratorios, y por tanto el funcionamiento de maquinaria eléctrica rotativa (máquinas síncronas y máquinas de inducción). En otras palabras, permite la conversión electromecánica de energía. 

II.1.1. ¿Por qué son tan importantes estos inventos? 

1. Corriente alterna. Permite la transmisión de energía eléctrica a largas distancias. Esto puede suceder gracias al uso del transformador (ver más abajo), que permite subir o bajar fácilmente el nivel de voltaje de una fuente determinada. La transmisión de energía bajo alto voltaje disminuye fuertemente las pérdidas de energía debido al efecto resistivo Joule. Además, la CA permite una fácil evolución de la red y un funcionamiento eficiente de los disyuntores. Sin embargo, cabe señalar que, debido al progreso de la electrónica de potencia, la CC se puede utilizar hoy en día para la transmisión de alta potencia a larga distancia, utilizando convertidores de gran tamaño. Aunque la correspondiente "participación de mercado" de DC está aumentando y ya no se limita a enlaces punto a punto, es probable que DC nunca reemplace a AC en su totalidad. 

2. Sistemas multifásicos. 

Añaden nuevas ventajas a las redes de corriente alterna: - Fuerte reducción de las pérdidas de transmisión mediante la reducción del número de cables necesarios - La potencia instantánea P(t) de los generadores permanece constante:   cos t P t qVI j C   (1) Esta propiedad es esencial para consideraciones de fatiga mecánica aplicadas a grandes turbogeneradores. - Posibilidad de crear campos magnéticos giratorios 3. El campo magnético giratorio 

Fig. 1. Un conjunto de tensiones trifásicas.

 

II.2. Otras teorías y experimentos de Tesla 

El trabajo de Tesla va mucho más allá de sus exitosos descubrimientos sobre redes cableadas de corriente alterna y energía eléctrica. Llegó a Estados Unidos a la edad de 28 años e inmediatamente comenzó a trabajar, en colaboración con Thomas Edison. Después de un tiempo, surgió un conflicto entre ellos sobre el enfoque más eficiente para la electrificación, conflicto conocido como la "guerra de las corrientes". Edison promovió la Corriente Continua (CC), mientras que Tesla, apoyada por George Westinghouse, abogó por la Corriente Alterna (CA). Edison hizo uso de algunos argumentos injustos, como el de invocar la eficiencia de la silla eléctrica. Sin embargo, la solución de Tesla finalmente se impuso, durante una destacada manifestación en Chicago (1893). Tesla emprendió una amplia serie de investigaciones, en las que abordó los dominios de la radiodifusión, los rayos X, el radar y el control remoto de objetos. Su interés se compartía igualmente entre la transmisión de información y la transmisión de energía. Su contribución a la radiodifusión fue reconocida por las autoridades estadounidenses como anterior a la de G. Marconi, generalmente considerado el inventor de la radiodifusión. Su principal sueño, sin embargo, ha sido la transmisión inalámbrica de energía, a la que dedicó muchos años de su vida. Como resultado se realizaron esfuerzos para implementar dispositivos demostrativos. En Wardenclyffe, Long Island, se erigió una gran torre de madera destinada a la emisión (Fig. 3). Postuló la presencia de energía en todas partes, en el aire y en la tierra. Los experimentos que realizó fueron a veces espectaculares, debido a la presencia de niveles de voltaje muy altos (de ahí también destellos muy grandes y relámpagos artificiales).

Fig. 2. Representación conocida, pero dudosa, de Tesla en su laboratorio de Colorado Springs.

Fig. 3. La torre Wardenclyffe, de 57 m de altura, en Long Island, estaba destinada a permitir la experimentación a gran escala con la TIP.

Los obtuvo mediante la famosa "bobina de Tesla", todavía utilizada hoy en día para juguetes y gadgets, que no es más que una bobina muy inductiva. La rigidez dieléctrica del aire seco a presión normal es de alrededor de 3 MV por metro, probablemente obtuvo algunos cientos de MV. Por lo demás, tuvo éxito en experimentos utilizando las propiedades conductoras de la tierra. Desafortunadamente, durante todos estos experimentos no se pudo establecer una transferencia de energía significativa. Algunos autores han sido injustos con él, sugiriendo que no siempre entendió lo que hacía y que a veces actuaba al azar. Por el contrario, habría tenido un muy fino sentido del análisis técnico. En el momento de la muerte de Tesla aún no se habían obtenido resultados significativos en relación con la WPT.

II.3. Tesla: su personalidad Tesla debería ser considerado hoy como uno de los principales contribuyentes al desarrollo de la sociedad industrial moderna, gracias a sus descubrimientos, como se explicó anteriormente. Era alguien extremadamente creativo. Poseía alrededor de 300 patentes. Gran parte de sus ideas e hipótesis no pudieron ser confirmadas, como las relativas a la energía libre, o la existencia de enormes corrientes telúricas y resonancias eléctricas en la tierra. Sin embargo, es un lugar común en el mundo de la investigación científica que no todos los intentos de un investigador tienen éxito. Tesla es una figura adjunta. Experimentó muchas dificultades durante su carrera, falta de medios experimentales, destrucción accidental de su laboratorio; sospechoso de ser inmigrante durante la Primera Guerra Mundial, también padecía diversos problemas de salud como falta de sueño y alucinaciones. De todos modos, siempre iba hacia adelante. Tenía algunas intuiciones extraordinarias, como su creencia en un mundo donde todos se comunicarían inmediatamente. Escribió: "Cualquier persona, en tierra o en el mar, con un dispositivo sencillo y barato en el bolsillo, recibirá noticias de todo el mundo o mensajes destinados únicamente al usuario". Esto prefiguró el teléfono móvil y la web. Era un humanista. Puso el interés de la ciencia mucho más allá del de los negocios. A pesar de todas sus actividades, finalmente murió pobre. Con su trabajo, Tesla ha aportado mucho a la humanidad. No necesita una leyenda; la verdad es suficiente. Sin embargo, aún hoy guarda una pequeña parte de misterio. Normalmente conducía un coche eléctrico, que aparentemente no contenía batería (no era un coche Tesla...), y todas sus documentos técnicos fueron mantenidos en secreto por las autoridades estadounidenses mucho después de su muerte.

Fig. 4. Un retrato tardío de Nikola Tesla

III. Recordatorio de Física III.

1. Interacciones debidas a fuerzas distantes 

La física actual identifica tres tipos de interacciones distantes. Por orden de importancia decreciente, las interacciones entre partículas son: 

1) La interacción fuerte (intranuclear). Actúa como fuerza de cohesión de los núcleos atómicos. La partícula asociada es el gluón. Esta interacción tiene lugar en el marco de la energía nuclear, ya sea por fisión o fusión de núcleos. Actualmente, sólo la fisión tiene aplicaciones para la producción de energía. 

2) La interacción electromagnética. Esta interacción actúa de forma idéntica en todas las escalas (escala de partículas, escala humana, escala cósmica). Se relaciona con un gran número de campos físicos: óptica, acústica, elasticidad, electroquímica, etc., que son la demostración macroscópica de la interacción electromagnética a escala molecular. La partícula asociada al electromagnetismo es el fotón. 3) La interacción débil. Esta interacción se conoce como interacción de Fermi, y hoy está unificada con la anterior. Es responsable de la desintegración β y está representado en el dominio de las partículas por bosones intermedios.

 4) La interacción gravitacional. Actúa como una atracción mutua entre las masas. La partícula correspondiente sólo pudo observarse recientemente. La ingeniería eléctrica y, por tanto, la TIP, están obviamente interesadas en la segunda forma de interacción.

Fig. 5. La estructura de la materia.

II.2. Electricidad y Magnetismo

 La electricidad y el magnetismo son, de hecho, dos formas observables de la única interacción electromagnética. Los medios y materiales, ya sean naturales o artificiales, pueden clasificarse como aislantes o conductores, según su comportamiento respecto de las cargas eléctricas elementales presentes en la materia. Estas cargas están constituidas por los protones y los electrones; Los electrones móviles de la capa exterior se conocen como electrones de conducción. Todos los fenómenos electromagnéticos se deben a estas cargas. Los fenómenos eléctricos resultan del desplazamiento electrocinético o de la acumulación electrostática de estas cargas. Las corrientes eléctricas son generalmente la manifestación del desplazamiento de los electrones de conducción en un medio conductor bajo la acción de un campo eléctrico. Los fenómenos magnéticos pueden resultar, ya sea de la acción de una corriente eléctrica (electromagnetismo) o de propiedades materiales (magnetismo natural). En todos los casos, se deben a la movilidad interna de los electrones en el interior de los átomos (movimiento orbital alrededor del núcleo y especialmente movimiento de espín). 

III.3. Parámetros Fundamentales en Electromagnetismo Estos parámetros se pueden ver en la Fig. 6.

Fig. 6. Parámetros fundamentales en electromagnetismo.

III.4. Ecuaciones de Maxwell Las relaciones básicas entre los parámetros eléctricos y magnéticos se describen mediante las ecuaciones de Maxwell, presentadas aquí en forma diferencial:  Ecuaciones de acoplamiento 

Ecuaciones de conservación:

Field parameters H and B, E and D, as presented above, are linked by the materials coefficients  and  

III.5. Conducción y propagación Las ecuaciones de Maxwell dejan explícito que la energía se puede transmitir en el espacio sin el apoyo de ningún medio. Las ecuaciones de acoplamiento de Maxwell se pueden combinar, bajo hipótesis restrictivas, para separar parámetros eléctricos y magnéticos; luego conduce a la siguiente ecuación diferencial para un campo dado C:

Dependiendo de los valores de las constantes físicas , y especialmente de la relación,  el fenómeno dominante puede ser: 

- una difusión (= conducción),  cuando el término de primer grado de la ecuación es predominante ;

- una propagación de ondas, cuando predomina el término de segundo grado en la ecuación. 

Además, si los fenómenos electromagnéticos son de naturaleza sinusoidal (C=C0 sen wt), lo cual es un caso bastante frecuente en la práctica, la condición de los parámetros físicos puede vincularse a la frecuencia f y a la velocidad angular w = 2 pi f

 difusión = bajas frecuencias

 - propagación = altas frecuencias 

* si  , el fenómeno principal es la difusión (conducción).  Esto se aplica a bajas frecuencias y a medios muy conductores 

* si   el fenómeno principal es la propagación. Esto se aplica a altas frecuencias y a materiales aislantes.

 La transmisión de energía eléctrica puede basarse.  ya sea por conducción o por propagación. Hoy en día las redes de energía eléctrica se basan en la conducción. Tesla creía que la transmisión de energía también podía basarse en la propagación. Sin embargo, al intentar seguir este camino se pueden encontrar obstáculos importantes. Uno de ellos es el problema de la directividad de la fuente, como se examinará más adelante. 

III.6. Cómo hacer WPT Las posibilidades se resumen en el diagrama de la Fig. 7.

Fig. 7. The possible solutions for WPT

III.6.1.Acoplamiento Inductivo No Resonante 

El transformador eléctrico, bastante clásico y conocido, puede analizarse como un dispositivo de transmisión inalámbrica. En su forma más simple, el transformador incluye dos devanados con números de vuelta n1 (primario) y n2 (secundario) respectivamente, fuertemente acoplados por un circuito magnético (Fig. 8)

. De conformidad con las ecuaciones de Maxwell, el transformador primero convierte la energía eléctrica del devanado primario en energía magnética, que circula en el circuito magnético como un flujo de inducción magnética 

. Este flujo magnético se convierte a su vez en energía eléctrica en el devanado secundario. El objetivo de esta operación es cambiar el nivel de voltaje de entrada u1 a un voltaje secundario diferente u2 de acuerdo con la relación: 

Fig. 8. Transformador electromagnético convencional

Fig. 9. Principio de transporte a larga distancia (alto voltaje mU, baja corriente I/m)

Esto permite cambiar el bajo voltaje al alto voltaje, para permitir la transmisión de energía a larga distancia; La conversión inversa de alto voltaje a bajo voltaje se realiza en el extremo receptor. El transformador utiliza el principio de inducción magnética (ley de inducción de Faraday). Pone en evidencia una propiedad fundamental, que es la importancia de la frecuencia f: simplemente, cuanto mayor es la frecuencia, más tensión inducida se recoge:

con  f en régimen armónico. Parte de las dificultades que encontró Tesla en su época se debió a que apenas podía utilizar altas frecuencias, como las de los microondas. Algunos de los enfoques actuales de la TIP consisten en una extrapolación del principio del transformador, simplemente aumentando la distancia entre los dos devanados y suprimiendo el núcleo magnético. 

III.6.2.Acoplamiento Inductivo Resonante:

 Cálculos y Experimentos Básicos El transformador implementa un acoplamiento muy fuerte, cercano a 1, debido a la presencia del núcleo magnético. El cálculo del coeficiente de acoplamiento k entre dos bobinas distantes, en el aire o en el vacío, conduce por el contrario a valores débiles como 10-2 o 10-3. Para compensar esto, la solución es utilizar acoplamiento resonante, es decir, acoplamiento entre circuitos oscilantes sintonizados. Entre los estudios dedicados al enfoque del acoplamiento resonante, [2] aporta resultados especialmente interesantes. Se han comparado cálculos teóricos, simulaciones numéricas de Spice y experimentación. Se ha observado un buen acuerdo entre todos ellos. Se ha confirmado que la transmisión de energía no se ha visto impedida por un obstáculo no conductor entre las bobinas. En la Fig. 10 se muestra un esquema típico de un sistema resonante. Un sistema de este tipo incluye cuatro polos, en el plano complejo, que corresponden a una resonancia de doble frecuencia. Las resistencias en el sistema introducen amortiguación, reducen los factores de calidad de las resonancias, pero también limitan la sobretensión en la resistencia de carga. La experimentación ha confirmado la dificultad práctica de lograr una sintonización óptima de los circuitos LC para una transmisión eficiente de energía. 

Fig. 10. Esquemas de TIP mediante circuitos acoplados

Fig. 11. Configuración experimental utilizada para el estudio [2]

Fig. 12. Muestra de resultados de simulación para un conjunto determinado de parámetros, voltaje primario en oscuridad y voltaje secundario en claro.

Fig. 13. Banco de pruebas de demostración y equipo de desarrollo del Prof. M. Soljacic [4]

Cuando se puede encontrar el ajuste correcto, la eficiencia puede ser muy buena. No hay que olvidar nunca que a medida que aumenta la frecuencia, es necesario completar los esquemas convencionales utilizados en simulación para integrar elementos parásitos (inductancias, condensadores, ...). 

III.6.3.El concepto WiTricity 

El acoplamiento resonante entre bobinas distantes fue investigado con éxito en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) por el equipo del Profesor M. SOLJACIC en 2006 [3]. Las condiciones experimentales fueron las siguientes: - distancia de las bobinas = 2 m - tamaño de las bobinas: 0,6 m de diámetro - frecuencia 10 MHz - potencia transmitida 60 W La eficiencia obtenida fue del 45% (90% cuando la distancia se reduce a 1 m). Tras esta exitosa demostración, en 2007 se fundó la empresa WiTricity Corp., con el fin de participar en el desarrollo comercial de aplicaciones de esta tecnología. III.7. El uso de la propagación (altas frecuencias)

 También se puede considerar la propagación de ondas electromagnéticas para la transmisión tanto de energía como de información. No hace falta recordar el impresionante desarrollo que han alcanzado hoy los sistemas de comunicación: radiodifusión, televisión, teléfonos móviles, redes informáticas Wi-Fi, radares, etc. Tesla estaba interesado en los dos dominios de aplicación, pero confiaba mucho más en la conducción que en la propagación. Una fuente puntual de energía electromagnética se propaga según un patrón esférico (Fig. 14). Por lo tanto, la densidad de energía, medida por el vector de Poynting Sp, disminuye como 1/r 2, siendo r la distancia de un punto dado a la fuente y P la potencia de la fuente:

A larga distancia, la relación entre el campo eléctrico E y el campo magnético H tiende a un valor constante, que es la impedancia de onda en el medio considerado Z=E/H, con el valor Z=377  para el vacío o el aire. Las ondas pueden entonces aproximarse como ondas planas (Fig. 15). La dispersión de ondas es aceptable en el ámbito de las comunicaciones, porque un receptor de ondas sólo necesita una energía muy pequeña para captar la señal y luego la amplifica. Por el contrario, la dispersión esférica de las ondas conduciría a una eficiencia no aceptable en la aplicación a la transmisión de energía. De ahí el uso de antenas muy directivas en emisión y recepción para limitar este efecto (Fig. 16). 

En particular, un reflector parabólico será eficaz para obtener una elevada directividad en la banda de microondas. [5] presenta comparaciones entre las estructuras de transformadores utilizadas en TIP. En [6] se describe un sistema TIP de pequeña potencia que utiliza un acoplamiento capacitivo. 

III.7.1. Las bandas de frecuencia

 A una frecuencia de onda v le corresponde:

 - una energía de fotón E = h v, (con h = 6,626070×10-34 J s, la constante de Planck),

 - una longitud de onda  en un medio dado con onda celeridad x

 . La celeridad de las ondas electromagnéticas en el vacío es c=3×108 m/s (celeridad de la luz). Las bandas de frecuencia de las ondas electromagnéticas corresponden a diferentes fenómenos físicos, como las comunicaciones por radio, la luz visible, etc. (Fig. 17).

 Las bandas de frecuencia de microondas cubren tres décadas. Corresponden respectivamente a: - longitudes de onda de 1 mm a 1 m, 

- frecuencias de 300 GHz a 300 MHz, 

- energías de fotones de 1,24 meV a 1,24 µeV 

Además, algunas subpartes de estas bandas están atribuidas a aplicaciones determinadas. Por ejemplo, en la banda de microondas, una banda específica alrededor de la frecuencia de 2,45 GHz está dedicada a aplicaciones industriales, científicas y médicas (banda ISM). Esta banda puede utilizarse para la transmisión de energía.

Fig. 14. Patrón de radiación esférico de una fuente isotrópica.

Fig. 15. Onda plana electromagnética y vector de Poynting asociado S

Fig. 16. Emisión directiva con uso de reflector parabólico

Fig. 17. Las bandas de frecuencia.

III.8. Transferencia de Energía: Recepción 

La recepción de la energía transmitida por TIP puede utilizar 3 técnicas:

 Fotovoltaica, ondas de Radiofrecuencia u ondas luminosas. 

El efecto fotovoltaico, que presentan algunos materiales semiconductores, permite convertir directamente la luz en energía eléctrica. Puede explicarse mediante la mecánica cuántica. La energía de una radiación electromagnética se cuantifica en fotones, con energía individual h (Fig. 18). El efecto fotovoltaico se produce en la unión de dos semiconductores dopados respectivamente con P y N. Estos semiconductores se encuentran en una célula fotovoltaica. Cuando un fotón individual interactúa con un electrón en la banda de valencia del semiconductor, la energía del fotón y del fotón mismo puede ser absorbida por el electrón, luego promovida a la banda de conducción y dejando un agujero en la banda de valencia. Este proceso genera un par electrón-hueco. Esto sólo es posible cuando la energía del fotón es al menos igual a la energía de la banda prohibida, es decir, la distancia energética entre las bandas de conducción y de valencia. La población de electrones y huecos así generados es entonces impulsada por el campo eléctrico en la zona de agotamiento de la unión PN, y puede contribuir a un voltaje y a la corriente correspondiente, cuando se conecta una carga eléctrica a la celda fotovoltaica. Tanto el fotovoltaje como la fotocorriente creadas aquí son magnitudes de CC y su producto produce directamente la energía eléctrica convertida por la célula fotovoltaica.

  El límite teórico de eficiencia es de alrededor del 41 % para las células de unión única y del 87 % para las células de unión múltiple. 

1) "rectena" de antena eléctrica La denominada rectenna incluye un rectificador eléctrico asociado a una antena electromagnética. 

El principio es la conversión directa de luz en electricidad mediante un rectificador que funciona en frecuencias de radio o microondas. Aquí no se trata de mecánica cuántica, ya que los electrones de la antena metálica ya se encuentran en la banda de conducción y no necesitan ser promovidos en energía mediante la absorción de fotones de la radiación electromagnética. El fenómeno es una interacción electromagnética clásica entre los electrones de la antena y el campo eléctrico de una onda incidente. Para que sea eficiente, la longitud de onda de la onda incidente electromagnética debe coincidir con la longitud de la antena, para inducir una corriente eléctrica resonante en la antena. A diferencia de una celda fotovoltaica, una antena generará en su salida tanto un voltaje CA como una corriente CA. Por tanto, será necesario un rectificador para transformar las cantidades de CA en cantidades de CC.

Fig. 18. Unión fotovoltaica

Fig. 19. Antena en el plano del campo eléctrico E.

Fig. 20. Nanoantena

Un diodo de tipo Schottky está especialmente adaptado aquí, debido a su corto tiempo de recuperación.  El límite teórico de eficiencia es de alrededor del 85 % y se ha observado una eficiencia práctica del 75 % para algunos dispositivos. [7] da un ejemplo de una estructura de rectina con buen rendimiento. Los circuitos electrónicos que se asociarán con recenas para aplicaciones de baja potencia han sido estudiados especialmente por [8]. 

2) antena óptica 

Existe una aparente similitud entre la tecnología de antena óptica y la tecnología de reccena. Sin embargo, existen profundas diferencias. Las frecuencias de las radiaciones electromagnéticas implicadas se sitúan aquí en el rango óptico y la antena tiene unas dimensiones muy pequeñas, correspondientes al dominio de la longitud de onda ("nanoantena"). Los rectificadores asociados a las rectennas ópticas deberían poder funcionar en frecuencias ópticas. Se utilizan tipos especiales de diodos, normalmente diodos de metal-aislador-metal (MIM). Además, aquí se producen fenómenos específicos como las resonancias de plasmones.   El límite teórico de eficiencia es de alrededor del 85%.

 IV. Elementos del Contexto 

IV.1. Evoluciones técnicas ¿Cuáles son las evoluciones técnicas que han permitido el progreso de la WPT desde la época de Tesla?

 Estas evoluciones son numerosas y se refieren principalmente a las tecnologías electrónicas. En particular, conviene conservar lo siguiente:

 - en el ámbito de la electrónica de señales:

 1) los semiconductores de estado sólido, inicialmente en forma de componentes discretos (diodos, transistores) que sustituyeron progresivamente a los antiguos tubos de vacío 

2) los circuitos integrados reunieron, con densidades crecientes, los elementos semiconductores elementales

 3) se lograron rendimientos físicos más altos en el dominio de la frecuencia, el voltaje y la corriente admisibles 

4) el suministro de energía muy bajo fue posible gracias a tecnologías de semiconductores como el transistor de efecto de campo (FET) y el semiconductor de óxido metálico (MOS y C-MOS), en el dominio de la electrónica de potencia: Se muestra en paralelo avances equivalentes; 

La primera generación de componentes de potencia (tiristores, transistores), han sido progresivamente sustituidos por GTO (Gate Turn Off) e IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors). Estos tienen especificaciones mucho más altas y son más sencillos de usar. Estos componentes de potencia han facilitado el desarrollo de rectificadores e inversores de muy alta potencia, utilizados hoy en día para la transmisión de energía en CC a larga distancia, de hasta varios GW.

 IV.2. Hitos del desarrollo (hasta 2010) Las historias de la transmisión inalámbrica de energía (WPT) y la energía solar basada en el espacio (SSP) están estrechamente relacionadas. La SSP tuvo un comienzo concreto e

n 1968. Los principales hitos son (la lista se limita a la mayoría de los acontecimientos importantes): - 1941: El autor de ciencia ficción Isaac Asimov describe, en una novela, un sistema de suministro de energía basado en el espacio; - 

1964: W.C. fabrica un modelo de helicóptero propulsado por microondas. Bron; - 

1968: presentación del concepto de energía solar basada en el espacio (SSP) por el Dr. Peter Glaser (EE.UU.); - 

1973: primera patente concedida al Dr. Peter Glaser, que prevé el uso de microondas e introduce el concepto de rectenna; - 

1976: transmisión experimental de 30 kW DC a 1,6 km de distancia, por Jet Propulsion Lab - Goldstone, EE.UU.: en este experimento se utilizó una antena parabólica de 26 m de diámetro y un klistrón de 450 kW para la emisión a 2.388 GHz, mientras que la recepción se produjo a través de un conjunto de antenas de 24 m2 [9]; 

- 1994: experimento de la USAF utilizando un satélite de órbita terrestre baja; - 1995: inicio de los estudios de investigación de la NASA; - 

1997: demostración de la TIP por microondas en Grand-Bassin, La Reunión (Francia) por G. Pignolet: un demostrador que utilizaba un magnetrón para la generación de microondas, una antena de bocina para la emisión y un receptor parabólico podía encender una bombilla de 200 W a una distancia de 700 m; seguido de otros trabajos [10]; 

- 1998: inicio de los estudios de investigación de la Agencia Espacial Japonesa (NASDA), todavía en curso; 

- 2001: anuncio de la NASDA de planes para la creación de prototipos de satélites con niveles de potencia de 10 kW y 1 MW;

 - 2003: estudios de la Agencia Espacial Europea (ESA), presentados a la asamblea del Senado francés; - 2008: demostración de la TIP de larga distancia mediante microondas (20 W a 150 km) en Hawaii por J.C. Mankins; -

 2009: creación del consorcio japonés JAXA, que incluye a Mitsubishi y la Agencia Espacial;

 - 2010: la agencia espacial europea EADS Astrium planea lanzar un satélite de demostración de 10 kW. 

V. Aplicaciones Existentes

 V.1. Horno microondas El horno microondas es un aparato de cocina que calienta los alimentos exponiéndolos a la radiación de microondas. Esto induce a que ciertas moléculas del alimento giren. Las moléculas involucradas tienen un momento dipolar significativo (diagrama de carga eléctrica no isotrópico), especialmente las moléculas de agua, que se orientan según la dirección del campo eléctrico. El movimiento de las moléculas produce energía térmica. Este fenómeno no es una resonancia. Los hornos microondas calientan los alimentos de forma rápida y eficiente porque la excitación es uniforme en la parte exterior de un alimento homogéneo y altamente hidratado. Los hornos microondas son hoy en día populares para recalentar alimentos previamente cocinados; también son útiles para calentar rápidamente alimentos que de otro modo se cocinarían lentamente. El resultado obtenido por tales hornos difierers de la cocina convencional, debido al rango de temperaturas en juego. Las clásicas reacciones químicas de Maillard, necesarias para obtener un dorado o un horneado, no pueden tener lugar. Esta aplicación se deriva de la tecnología de radar desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial. La generación de ondas en el rango de las microondas se obtiene mediante un magnetrón, que es un tipo específico de tubo de vacío. El magnetrón tiene un cátodo central calentado por un filamento, sin rejilla, y un ánodo de masa y concéntrico en el que están ahuecadas varias cavidades resonantes. Los imanes permanentes crean un campo magnético axial. El recorrido en espiral (debido al campo magnético) de los electrones se realiza a una frecuencia sintonizada con las cavidades resonantes. Debido a que el magnetrón es autooscilante, permite un montaje muy sencillo en hornos microondas. La potencia disponible suele ser de aproximadamente 1 kW, con una frecuencia de oscilación de 2,45 GHz y la eficiencia térmica es de aproximadamente el 65 %. Para obtener estas características es necesaria una tensión eléctrica de unos 2 kV. La facilidad de uso del magnetrón ha hecho que los hornos microondas sean populares en algunas instalaciones de experimentación dedicadas a la TIP. Sin embargo se deben tomar algunas precauciones, no por las radiaciones de las ondas, sino por la presencia; primero, de altos valores de voltaje cuando está encendido, y segundo, de grandes capacitores que permanecen cargados con estos voltajes, incluso cuando están apagados. Los magnetrones de valores de potencia más altos todavía se utilizan para aplicaciones de radar. 

V.2. RFID pasivo Un transpondedor RFID (identificador de radiofrecuencia), también llamado etiqueta, se coloca en un objeto determinado e intercambia información con un lector RFID externo. Los sistemas RFID pueden ser activos o pasivos. Los sistemas RFID activos incluyen una batería. Los sistemas RFID pasivos recogen del lector externo mediante una antena una pequeña cantidad de energía, suficiente para intercambiar información. La señal enviada por el lector es alternativamente una portadora modulada y no modulada. Durante las fases no moduladas, el receptor almacena la energía para alimentar sus circuitos internos. El pequeño tamaño de los chips RFID hace que sea posible colocarlos en casi cualquier lugar. Se ha vuelto obligatorio para los animales de compañía, e incluso se debate sobre su posible aplicación a los seres humanos.

Fig. 21. microwave oven, and associated klystron for waves emission Fig. 22. RFID system chip antenna RFID reader RFID tag RF front end analog/ digital power d

Fig. 22. Antena de chip del sistema RFID Lector de RFID Etiqueta RFID Frontal de RF Alimentación analógica/digital

La capacidad de memoria de los chips RFID es actualmente de 2 kilobytes. Son posibles varias frecuencias de transmisión, desde 125 kHz hasta 5,8 GHz; diferentes estándares internacionales como ISO 14443 o ISO 15693 describen su utilización. Las frecuencias más bajas permiten una penetración más profunda en la materia (efecto piel), mientras que las frecuencias más altas permiten intercambios de información más rápidos. V.3. Tarjeta bancaria sin contacto Esta es una aplicación actual y popular de dispositivos pasivos RFID. Este dispositivo sin contacto tiene exactamente el tamaño de una tarjeta bancaria. Incluye circuitos integrados para procesamiento y algo de memoria no volátil. Puede comunicarse con un terminal a través de ondas de radio y también almacenar y procesar datos, dependiendo de la cantidad de memoria incorporada. Hace uso de una frecuencia de transmisión de 13,56 MHz. En la mayoría de países, el uso de este tipo de dispositivos está restringido a una pequeña cantidad de dinero; sin embargo, algunos países no establecen ningún límite. Los estudios económicos afirman que el uso de este tipo de tarjetas supone un aumento significativo de los gastos realizados. Cabe señalar también que ahora se encuentran disponibles baterías miniatura de iones de litio, que son lo suficientemente pequeñas como para integrarse en las tarjetas bancarias. 

Fig. 23. Tarjeta bancaria sin contacto y símbolo asociado

V.4. Cargadores de baterías por inducción

 En las últimas décadas ha aparecido una variedad casi infinita de aplicaciones y nuevos dispositivos basados en nuevos componentes electrónicos: ordenadores, electrónica de ocio, teléfonos móviles, etc. Estas potenciales aplicaciones se han vuelto efectivas, creando fuertes necesidades; Algunos de nosotros difícilmente imaginamos la vida hoy sin todas estas herramientas modernas. Lamentablemente, y aunque las necesidades de suministro de electrónica han disminuido considerablemente; A menudo nos hemos enfrentado al problema de la disponibilidad de fuentes de energía, es decir, al problema de la carga de las baterías. 

Por lo tanto, algunos desarrolladores en el ámbito de la TIP abordan el problema de la carga de baterías, como [11]. En algunas circunstancias, el desafío de la carga de baterías sin contacto también puede ser vital, como en el campo biomédico, la carga de prótesis internas del cuerpo humano. [12] describe un dispositivo médico implantable que utiliza sintonización automática de resonancia. 

Ya están disponibles componentes específicos para cargadores de baterías de teléfonos inteligentes en el marco de la alianza entre ST Microlectronics, principal fabricante europeo de semiconductores, y Witricity Corp. Aunque un conocido fabricante de dispositivos electrónicos renunció recientemente a su dispositivo de carga inalámbrico "Airpower" (2019), equivalente Hoy en día hay dispositivos disponibles comercialmente para teléfonos inteligentes y relojes. Existen dispositivos similares para cargar baterías de automóviles, como por ejemplo el Nissan Leaf y el Toyota (hasta 25 kW).

 [14] ha estudiado una solución de cargador de vehículos trifásico. Se puede observar que la carga inalámbrica no tiene ninguna ventaja decisiva respecto a la carga por cable, porque de todos modos se necesita un tiempo de carga. Por el contrario, aplicaciones como las tarjetas bancarias inalámbricas y, en general, las aplicaciones RFID pasivas, son más relevantes porque permiten transacciones más rápidas. Por último, se han estudiado otras aplicaciones de la TIP de bajo consumo, por ejemplo las que tienen como objetivo una mejor gestión de la energía en el hogar.

Fig. 24. Carga de batería de reloj y teléfono inteligente sin contacto [13]

Fig. 25. Cargador de coche sin contacto; fuente: WiTricity Corp

VI. Aplicaciones futuristas 

VI.1. ¿Qué pasa con la gran potencia a largas distancias? Hoy en día, la TIP ha demostrado su viabilidad en condiciones precisas, principalmente transmisión a corta distancia y potencias nominales limitadas. Sin embargo, se ha previsto la TIP para otro tipo de aplicación, que consiste en recoger energía solar del espacio. La energía solar basada en el espacio (SSP) sería un desafío considerable para la humanidad. Es una energía renovable muy abundante; él resolvería posiblemente gran parte de los problemas medioambientales relacionados con otras formas de energía, incluso las renovables. Por lo tanto, en ocasiones se presenta como atractivo sobre el cambio climático antropogénico y las preocupaciones sobre el agotamiento de los combustibles fósiles. Como la instalación de cables entre la Tierra y el espacio no sería realista, es necesario recurrir a la TIP.

 La aplicación implementaría un satélite en órbita, convirtiendo la energía solar en electricidad mediante paneles fotovoltaicos adaptados. Luego, la energía se enviaría a la Tierra mediante un conjunto emisor/receptor basado en un rayo láser o mediante microondas. El principio de captar energía solar del espacio presenta una serie de ventajas en comparación con las fuentes de energía de la superficie de la Tierra, pero también presenta enormes inconvenientes en comparación con las mismas. 

Ventajas: 

- el nivel de radiación recibido en el espacio es aproximadamente un 50 % mayor que en la superficie terrestre (sin absorción ni reflexión atmosférica, se transmite un espectro de longitud de onda más amplio) y también más constante (sin nubes, polvo, fenómenos meteorológicos); 

- la recogida podría ser posible las 24 horas del día (caso de un satélite heliosincrónico);

 Los inconvenientes están relacionados con:

 - los costes considerables, y a menudo desconocidos, de los equipos, principalmente espaciales; 

- su diseño, realización e implementación; 

- el tamaño del equipo receptor necesario en la Tierra (como 5 km2 de paneles fotovoltaicos o paneles espejo); 

- falta de experiencia sobre grandes sistemas que funcionan en el espacio: organización del mantenimiento, peligros relacionados con meteoritos y "basura espacial", ...); 

- posibles problemas de seguridad debido a la irradiación humana. 

VI.2. Opciones técnicas 

Un conjunto de opciones técnicas está disponible en diferentes pasos de la implementación del SSP. 

VI.2.1.Generación de Energía

 La energía solar, tanto en el espacio como en la Tierra, puede ser convertida en electricidad ya sea mediante un proceso fotovoltaico o mediante un proceso térmico (concentración del haz por espejos y ciclo termodinámico de fluidos condensables). Mientras que en la Tierra algunas centrales eléctricas ya utilizan efectivamente el proceso de concentración, el proceso más estudiado para su implementación en el espacio es el fotovoltaico. 

VI.2.2.Transmisión de energía

Para la transmisión, se pueden considerar microondas y láser:  Transmisión por microondas La transmisión por microondas en el espacio tendría la ventaja de una transmisión ininterrumpida a través de la lluvia, la nieve o cualquier otra condición atmosférica y podría proporcionar gigavatios de energía. La mayoría de los experimentos a pequeña escala realizados hasta ahora en la Tierra han utilizado microondas. 

 Transmisión láser La transmisión del rayo láser en el espacio tendría la ventaja de contar con dispositivos de recepción más simples, debido a la alta concentración del rayo. La NASA ha estudiado inicialmente este proceso para la propulsión espacio-espacio y para la propulsión lunar (proyecto Selene). La potencia unitaria por satélite estaría en el rango de 1 MW a 10 MW, por lo que se necesitaría un gran número de satélites para transferir niveles de potencia de GW. Además, los satélites transmisores de láser tendrían dificultades para transmitir energía a través de las nubes y la lluvia. A pesar de los recientes avances en la técnica del láser, especialmente los láseres bombeados, parece que hasta el día de hoy no hay ningún proyecto concreto basado en rayos láser. [15]

 VI.2.3. Localización Orbital de Satélites

 Se pueden contemplar diferentes tipos de satélites: 

 Satélite en Órbita Terrestre Geoestacionaria (GEO). En este proceso, no es necesario ajustar la geometría de la antena emisora; de ahí una situación más sencilla. Los satélites GEO pueden ser reemplazados por satélites de órbita terrestre baja (LEO) o de órbita terrestre media (MEO); en cuyo caso se necesita toda una red de satélites, exactamente como en el caso de las comunicaciones por satélite, para mantenerse en contacto mientras giran alrededor de la Tierra. 

 Satélite heliosincrónico. La recogida sería posible las 24 horas del día. Teniendo en cuenta las enormes dificultades previstas, se han imaginado numerosas variantes para la implementación del SSP: construcción en el espacio, en la Luna o desde un asteroide. A nivel mundial, las predicciones de costos de todas las soluciones imaginadas siguen siendo extremadamente difíciles. 

VI.3. Cosecha de energía Hoy en día, la gente está rodeada de numerosos dispositivos electrónicos radiantes: radio, televisión, teléfonos móviles, redes inalámbricas, detectores, mandos a distancia de todo tipo. Paralelamente, muchos dispositivos electrónicos nuevos requieren un nivel de suministro muy bajo. La recolección de energía, en el ámbito eléctrico, intenta explotar la conjunción de estos dos factores, recolectando y reciclando esta energía. 

VI.3.1. ¿Qué puede aportar? Los niveles actuales de ondas electromagnéticas de las aplicaciones existentes se pueden ver en la Tabla I. La recolección de la energía ambiental utiliza una rectina específica. De hecho, se trata de un conjunto de recenas, diseñado para funcionar en una amplia banda de frecuencia (2-18 GHz). Las densidades de potencia de entrada según la siguiente tabla oscilan entre 10 nW/cm2 y 0,1 mW/cm2. Los elementos individuales de la rectina tienen forma de espiral (ver figura a continuación) y están distribuidos como una matriz, con diferentes orientaciones, para recolectar energía de diferentes fuentes polarizadas.

 Por lo tanto, si un área de recolección efectiva de 25 cm2 (en un panel de aproximadamente 300 cm2) es considerado, la potencia de entrada asociada

varían entre 250 nW y 2,5 mW. Si las eficiencias de rectificación para tales casos resultan ser η250 nW = 1 % y η2,5 mW = 20 %, entonces la potencia de CC de salida captada por este conjunto variará teóricamente entre 2,5 nW y 500 μW. Otros ejemplos de diseños de rectenna han logrado mayores eficiencias, desde un 40-50 % funcionando a 10-2 mW/cm2 hasta un 80 % a 10 mW/cm2 [16]. [17] describe otra solución para la recolección basada en una superficie selectiva de frecuencia (FSS). [18] también presenta una realización concreta para mejorar los sistemas de recolección. Finalmente, Tesla no se equivocó al pensar que hay energía disponible en todas partes.

TABLA I 

NIVELES ACTUALES DE ELECTROMAGNÉTICO

ONDAS DE APLICACIONES EXISTENTES

Aplicación Densidad de potencia W/m2 mW/cm2

Radio FM a 50 km desde una base de 100 kW

estación 10-6

10-7

Bandas ISM: Bluetooth 10-6

10-7

Bandas ISM: Wi-Fi 10-5

10-6

Nivel ambiental actual 10-5 a 10-4

10-6 a 10-5

Teléfono celular a 50 m de la estación base 10-3

a 10-1

10-4

a 10-2

Energía solar Energía inalámbrica satelital

Transmisión 100

a 10+1 10-1

a 100

Radiación solar en el rango visible 10+3 10+2

Fig. 26. Conjunto de rectennas para recolección de energía [16]

Fig. 27. Detalle de una reccena [16]

VI.3.2.Exposición a las ondas electromagnéticas 

El desarrollo de la TIP podría generar el temor de que pueda aumentar la exposición general de los seres humanos a las ondas. Por el momento, la mayoría de los países industriales ya han implementado reglas para definir límites seguros a la exposición. Estos límites se detallan en normas técnicas como EN 50360, EN 50361 en Europa, IEEE 1528 en EE. UU. y las normas internacionales IEC 62209-1, IEC 62226-1, IEC 62233. [19]. Los valores límite dependen de las circunstancias, como bandas de frecuencia, exposición profesional o no, parte del cuerpo expuesta, etc. Un estudio exhaustivo de las interferencias se ha publicado en [20]. [21] propone un esquema de control de energía para limitar la exposición de humanos a la TIP. A modo de ejemplo, en Europa los niveles de campo permitidos para la exposición del público están definidos por la directiva europea 199/519/CE (Tabla II). Como se puede observar, para la banda de frecuencia de microondas 2-300 GHz el valor mencionado es de 61 V/m, lo que equivale a una densidad de potencia de 10 W/m2. Este nivel lo alcanzan actualmente los electrodomésticos comunes, como receptores de televisión o frigoríficos. Las densidades de potencia utilizadas para la transmisión espacial podrían alcanzar el orden de magnitud de 1 kW/m2.

TABLA II 

NIVEL DE CAMPO ELÉCTRICO (E), NIVEL DE CAMPO MAGNÉTICO (H) Y

VALORES DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA (B) PARA DIFERENTES FRECUENCIAS

BANDAS

Banda de frecuencia Campo eléctrico

nivel E (V/m)

Magnético

nivel de campo H

(Soy)

Magnético

inducción B

(μT)

Fuerza

densidad de

equivalente

avión

secuencia de onda

(W/m2

)

0 – 1 Hz - 32 000 40 000 -

1 – 8 Hz 10 000 32 000/f

2

40 000/m

2

-

8 – 25 Hz 10 000 4000/f 5000/f -

0,025 – 0,8 kHz 250/f 4/f 5/f -

0,8 – 3 kHz 250/f 5 6,25 -

3 – 150 kHz 87 5 6,25 -

0,15 – 1 MHz 87 0,73/f 0,92/f -

1 - 10MHz 87/f 0,73/f 0,92f

10 – 400 MHz 28 0,073 0,092 2

400 – 2000 MHz 1,375 f 0,0037 f 0,0046 f f/200

2 – 300 GHz 61 0,16 0,20 10

VII. Investigación en curso

 Desde 2015 hasta ahora, a pesar de las grandes dificultades previstas para la aplicación de la TIP a alta potencia y larga distancia, la mayoría de los grandes países industriales no han renunciado a investigar en este campo. Los países más activos parecen ser China y Japón.

  Agencias oficiales de China, como Xinhuan News, presentaron una hoja de ruta para un sistema comercial de 1 GW en 2050. Los investigadores chinos consideran que necesitarían un satélite de 5 toneladas de peso, que hoy aún no existe. Sin embargo, también consideran realista tener una primera planta espacial experimental alrededor de 2030. El tamaño esperado del receptor (5 km2) será uno de los principales problemas a resolver. 

 El SSP de Japón ha sido establecido por ley (2008) como un objetivo nacional para Japón. El proyecto del consorcio JAXA (ver arriba) todavía está en curso. Se prevé la puesta en órbita de un prototipo de satélite para 2030. Recientemente se han anunciado dos resultados importantes (2015):

 - un sistema JAXA podría transferir 1,8 kW a un receptor objetivo situado a 55 m. 

- un sistema Mitsubishi podría transmitir 10 kW a 500 m. 

 Estados Unidos En un primer período (1978), las oficinas públicas DoE y la NASA invirtieron en un fuerte esfuerzo de investigación, que se interrumpió alrededor de 1980. En ese momento, los riesgos asociados con el SSP se consideraban demasiado altos. En 1997, la NASA emprendió un nuevo estudio, denominado "Fresh Look", para tener en cuenta los avances tecnológicos realizados entretanto. Luego se creó una institución especializada (1999), la Investigación y Tecnología Exploratoria de Energía Solar Espacial (SERT). Esta institución todavía está activa en la actualidad. Los proyectos que unen las administraciones de Defensa, Diplomacia y Desarrollo (2015) reciben actualmente gran atención. En el sitio web de peticiones change.org se están lanzando acciones públicas para impulsar los desarrollos correspondientes.  Europa Actualmente no se destaca ningún proyecto de señalización. En la literatura se pueden encontrar regularmente muchas obras y publicaciones. Los avances relacionados con la SSP también podrían encontrar aplicación en otros ámbitos, como la exploración espacial (impulsar vehículos espaciales).

Fig. 28. Una descripción general de la NASA para SSP

VIII. Conclusión

 El concepto de TIP (Transmisión Inalámbrica de Energía) tiene más de un siglo de antigüedad. El concepto de SSP (Energía Solar basada en el espacio) tiene casi medio siglo. ¿Todavía tenemos que esperar mucho tiempo para ver el surgimiento de los logros correspondientes? El progreso de la tecnología, y especialmente el de los componentes electrónicos, ha hecho posible muchas aplicaciones que, sin embargo, en el pasado se consideraban absolutamente irreales. De ahora en adelante, la TIP pertenece al ámbito del desarrollo tecnológico. La SSP sigue siendo un tema de investigación a largo plazo. En el ámbito de la transmisión de alta potencia, si bien todavía no existe una implementación efectiva, no se ha encontrado ningún obstáculo definitivo en el camino. Dada la cantidad de energía implicada, cabe prever usos no previstos de los sistemas TIP y SSP. Tales son también sus posibles fallos técnicos inesperados

. Apéndice I 

Se considera el caso de un medio homogéneo isotrópico lineal, como el vacío o el aire (,  y  son constantes en el tiempo y escalares); si también se supone que no hay cargas eléctricas presentes: q=0, entonces B H   y D E  , las ecuaciones de acoplamiento de Maxwell se vuelven bastante simétricas

La relación vectorial general escrita se utiliza aquí para

cualquier campo dado C:

que se aplica, por ejemplo, al campo eléctrico E:

Permanece:

Suponiendo una celeridad de onda 1     en todos los casos será:

Según los valores de las constantes físicas , los fenómenos predominantes pueden ser:

- una difusión (conducción):

  una propagación de ondas:

Si los fenómenos electromagnéticos son de naturaleza sinusoidal (C =C0sint), la condición sobre los parámetros físicos pasa a ser:

 - difusión (bajas frecuencias):

- propagación (altas frecuencias):

En el último caso, la ecuación se convierte en una ecuación vectorial de Helmholtz:  2C+ 2C=0, siendo C=E, B. En lo que respecta a la TIP, se mantendrá que el uso de altas frecuencias se adaptará a la transmisión a larga distancia.

 Apéndice II 

Acoplamiento no resonante entre dos bobinas distantes Se considera el acoplamiento electromagnético entre dos devanados circulares idénticos, de radio R; se asimilan a bobinas planas. Estas bobinas tienen el mismo eje y están colocadas a una distancia D entre sí. El primero se considera primario (bobina de excitación), el otro se considera secundario (bobina receptora). Se supone que D >> R : D  D'. El campo en el eje de las bobinas se calcula para determinar las autoinductancias L1, L2 y la inductancia mutua M, y de ellas se deriva el coeficiente de acoplamiento; las dos bobinas son idénticas:

El acoplamiento es fuerte si k>0,5, el acoplamiento es débil si k<0,5. Se aplica la ley de inducción elemental de Biot y Savart:

1) caso de la bobina emisora:

Esto define el campo en el centro de la bobina 1 a lo largo de su eje.

2) caso de la bobina receptora:

La inducción magnética a lo largo del eje se obtiene por proyección:

Se puede observar que el campo axial disminuye fuertemente en función de la distancia D.  aplicación numérica.

R = 0,30 m, f = 11 MHz, D = 1 a 10 m, L1 = 1,48 mH, Z1 = L1  = 102,3 k (primario) Los valores obtenidos para el coeficiente de acoplamiento k son débiles en todo el rango de distancias. Incluso con un alto voltaje en la bobina primaria, la energía transmitida será pequeña.

Fig. 1A. System of two coupled coils

Acknowledgements

An attentive reading of this text was made by Mr.

Samuel Nguefeu, RTE-France, Paris (France).

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

I1

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Authors’ information

J. P. Fanton received the Dipl. Ing. degree from

Ecole Supérieure d'Electricité, today Centrale

Supelec (France). Since 2005 he is a lecturer at

ECAM-EPMI, Cergy-Pontoise (France). He is a

member of the Scientific Committee for

Electricity and Magnetism at Laboratoire

National d'Essais (LNE), Paris, France