Resumen
Este artículo describe varias tecnologías de transmisión inalámbrica de energía (WPT), incluido el acoplamiento inductivo, las ondas de radio y el acoplamiento por resonancia. Teóricamente, estas tres tecnologías TIP son similares en el sentido de que todas dependen de las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, existen pros y contras para cada aplicación del WPT. Por tanto, se debe seleccionar una tecnología TIP adecuada para cada aplicación. Aquí se analizan la teoría, las tecnologías y las aplicaciones de la TIP. WPT es una tecnología útil y conveniente que se puede emplear para cargar baterías de teléfonos móviles, computadoras portátiles, vehículos eléctricos, diodos emisores de luz, circuitos integrados y otros equipos sin necesidad de una conexión por cable. Para los sistemas que utilizan muy poca energía, la batería se puede quitar por completo y los sistemas pueden funcionar con energía recolectada de la radiofrecuencia ambiental y la radiación de microondas. Por lo tanto, el número de baterías se puede reducir cuando hay energía inalámbrica disponible desde varios lugares, y como las baterías se pueden cargar de forma inalámbrica, también se pueden reducir las preocupaciones sobre la escasez de baterías. La TIP a través de microondas, por ejemplo, podrá aplicarse en el futuro a satélites espaciales de energía solar estables y libres de CO2. En general, la TIP apoyará tanto la producción energética futura como el medio ambiente.
INTRODUCCIÓN
Hace aproximadamente 100 años, Tesla [1,2], un científico famoso, soñaba con una tecnología inalámbrica que no requiriera cables para alimentar electricidad. Teóricamente tenía razón. Sin embargo, fracasó técnicamente porque no pudo concentrar suficiente energía inalámbrica para satisfacer las necesidades de los usuarios, incluso hace 100 años.1,2 Casi 100 años después de la propuesta de Tesla, ahora es posible utilizar ondas de radio de mayor frecuencia, o microondas, para enfocar la energía eléctrica de forma inalámbrica a niveles que satisfagan las necesidades actuales de los usuarios. En caso de distancias cortas, las tecnologías de acoplamiento inductivo o de resonancia son efectivas. De hecho, la transmisión inalámbrica de energía (WPT) es una tecnología valiosa y conveniente que se puede utilizar para cargar las baterías de teléfonos móviles, computadoras portátiles, vehículos eléctricos (EV), diodos emisores de luz (LED), circuitos integrados (IC) y otros equipos.
∗Correspondencia a: shino@rish.kyoto-u.ac.jp Instituto de Investigación para la Humanósfera Sostenible, Universidad de Kyoto, Kyoto, Japón DOI: 10.1002/wene.43
Sistemas que utilizan muy poca energía ni siquiera requieren una batería y pueden ser funcionan con energía obtenida de la radiofrecuencia ambiental y la radiación de microondas. Por lo tanto, la cantidad de baterías necesarias se puede reducir cuando la energía inalámbrica se generaliza porque se pueden cargar de forma inalámbrica y, por lo tanto, la escasez de baterías no será una preocupación. Este escenario se hará realidad pronto. Ya existen diversas tecnologías y aplicaciones comerciales de la TIP. Algunos productos comerciales TIP se basan en acoplamiento inductivo o de resonancia. Estas tecnologías se clasifican como “TIP de corto alcance”. Alternativamente, la TIP mediante ondas de radio se aplica a sistemas TIP de largo alcance. En un futuro próximo, la tecnología TIP permitirá obtener energía eléctrica estable y libre de CO2 desde el espacio. El concepto de un satélite espacial de energía solar (SPS) está respaldado por tecnologías TIP a través de microondas. Todas las tecnologías TIP se basan en las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, existen pequeñas diferencias en sus aplicaciones. En este artículo, se describen primero la teoría y la aplicación de la TIP mediante acoplamiento inductivo y de resonancia, seguido de una discusión de la teoría y las aplicaciones de las tecnologías TIP basadas en microondas.
HISTORIA DEL WPT
Históricamente, el WPT comenzó con las ondas de radio. Las ecuaciones de Maxwell, formuladas en 1862 y que describen todos los fenómenos de las ondas de radio, son esencialmente la primera base teórica de la TIP. Después de que Maxwell propusiera sus ecuaciones, Poynting describió las ondas de radio como un flujo de energía, que es un concepto bien conocido del vector de Poynting. Después de los descubrimientos de Maxwell y Poynting, Tesla1,2, hace todavía más de 100 años, soñó que toda la electricidad se proporcionaría de forma inalámbrica. Realizó el primer experimento WPT a finales del siglo XIX.1,2 Lamentablemente, fracasó debido a la difusión de la potencia inalámbrica, que depende de la frecuencia de funcionamiento y del tamaño de la antena transmisora. Usó una frecuencia de operación de 150 kHz. Después del fracaso de Tesla, la historia del desarrollo de las ondas de radio se centró en la comunicación inalámbrica y la teledetección, en lugar de la WPT. Sin embargo, las tecnologías de comunicación inalámbrica y teledetección contribuyeron al desarrollo de nuevas técnicas TIP. Para aumentar la información contenida en las ondas de radio, es necesario utilizar ondas de radio de mayor frecuencia. Sólo después de la Segunda Guerra Mundial se pudo generar y utilizar una frecuencia superior a la utilizada por Tesla, o las microondas, para comunicaciones inalámbricas y sistemas de radar.
El uso de una frecuencia más alta con una antena del mismo tamaño permite una mayor concentración de ondas de radio que la posible con frecuencias más bajas. Por lo tanto, la potencia de las ondas de radio transmitidas se puede aumentar con microondas como una onda de radio de mayor frecuencia que la utilizada por Tesla.
En la década de 1960, Brown3,4 llevó a cabo nuevos experimentos con TIP utilizando tecnologías de microondas de alta eficiencia. Utilizó tubos de microondas de 2,45 GHz (como magnetrones y klistrones) y logró implementar la TIP en un helicóptero con microondas de 2,45 GHz en 1964 y en un helicóptero en vuelo libre en 1968. También fue la primera persona en desarrollar una antena rectificadora, que llamó rectenna, para recibir y rectificar microondas. La eficiencia de la primera rectina, desarrollada en 1963, fue del 50% con una potencia de salida de 4 W CC y del 40% con una potencia de salida de 7 W CC.5 Finalmente, alcanzó una eficiencia estimada del 90% de la rectina a 2,45 GHz. En 1975, logró una eficiencia total CC-CC de hasta el 54% a 495 W CC utilizando un magnetrón en el Laboratorio Raytheon. Simultáneamente, el equipo de Brown y Dickinson logró la mayor demostración de transmisión de energía por microondas (MPT) en 1975 en el sitio Venus del Jet Propulsion Laboratory Goldstone Facility.6 La distancia entre la antena transmisora parabólica, que tenía un diámetro de 26 m
FIGURA 1 | imagen SPSy el conjunto de reccena, que era de 3,4 × 7,2 m2, era de 1,6 km. La potencia de microondas transmitida desde la fuente de klistrón fue de 450 kW a una frecuencia de 2,388 GHz, y la potencia de CC rectificada alcanzada fue de 30 kW con una eficiencia de rectificación del 82,5%. Este experimento MPT es el más grande jamás realizado en el mundo. Aunque Brown tuvo éxito con los experimentos de campo de la TIP, aún existía una gran discrepancia entre el tamaño y el costo del sistema demostrado y lo que sería práctico. Por lo tanto, lamentablemente los sistemas MPT comerciales no pasaron a formar parte de nuestra vida diaria. Sin embargo, las tecnologías MPT se desarrollaron para un SPS (Figura 1), propuesto por Glaser7 en 1968.
El SPS superó algunos de los inconvenientes del MPT, como la baja eficiencia general del sistema, que depende de la conversión microondas/CC, y el gran tamaño de las antenas. El SPS suministró aproximadamente 10 veces más energía eléctrica que las células solares terrestres porque se encontraba en una órbita geoestacionaria en el espacio. En la órbita geoestacionaria no hay noche. Además, a diferencia de la luz solar, las microondas no son absorbidas por las nubes ni por la lluvia. Por lo tanto, la generación de energía es posible las 24 horas del día dentro de un SPS. El MPT era necesario para el SPS y, en consecuencia, se desarrollaron técnicas de MPT para satisfacer las necesidades del SPS.8 Después de la década de 1980, el centro para el desarrollo del MPT se trasladó a Japón.
El profesor Hiroshi Matsumoto de la Universidad de Kyoto y su grupo llevaron a cabo experimentos con cohetes MPT en 1983, que se denominaron experimento de interacción no lineal de la ionosfera de microondas, para un SPS. También llevaron a cabo varios experimentos de campo MPT8 basándose en nuevas tecnologías de microondas para comunicación inalámbrica y detección por radar.
En 1992 se llevó a cabo un experimento MPT con un sistema en fase,9,10 el primer ensayo en el que se aplicó la técnica del sistema en fase para este propósito. La Universidad de Kyoto, la Universidad de Kobe y su equipo volaron un avión sin combustible propulsado sólo con 2,411 GHz de energía de microondas utilizando un conjunto en fase con 96 amplificadores semiconductores de GaAs y 288 antenas en tres subconjuntos.
Un grupo canadiense también voló un avión sin combustible en 1987 adoptando un sistema de antena parabólica.11 El Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas implementó un gran proyecto de investigación SPS en la década de 1990, llamado SPS2000.12 Prof. Makoto Nagatomo, uno de los líderes de la investigación SPS en Japón, fue el líder del proyecto SPS2000 y creía que se debería lanzar un SPS experimental lo antes posible. Por lo tanto, el SPS2000 fue diseñado como un sistema concreto en órbita terrestre baja.
En Estados Unidos, algunos grupos de investigación continuaron la investigación sobre MPT y SPS durante la década de 1980.
Luego, en 1995, la NASA lanzó un proyecto para darle una nueva mirada a un SPS. La investigación estadounidense sobre MPT fue adoptada como parte del proyecto.13
En la década de 2000, el proyecto de investigación SPS en Japón todavía está en curso.14,15 El proyecto de investigación japonés SPS se basa en el "Plan básico para la política espacial". que fue establecido por la Sede Estratégica de Política Espacial en junio de 2009.16 En este proyecto, la atención se centra en el desarrollo de un conjunto en fase liviano y de alta eficiencia de 5,8 GHz para controlar la dirección del haz de microondas. Los algoritmos y tecnologías de formación de haces y detección de objetivos son tan importantes como el desarrollo de sistemas en fase ligeros y de alta eficiencia.
Existen varias técnicas de formación de haces y detección de objetivos para el SPS, incluida la detección de objetivos retrodirectiva con una señal piloto, el método del vector electromagnético giratorio17 y el método de corrección de posición y ángulo.18
El proyecto japonés SPS implica la verificación de los diversos haces- Técnicas de formación y detección de objetivos. Al mismo tiempo, las tecnologías avanzadas de microondas hicieron que la TIP volviera a ser considerada para aplicaciones comerciales. Los requisitos de energía para las tecnologías de comunicación móvil son bastante mínimos. De este modo se puede recibir suficiente energía a través de microondas, al igual que en la comunicación inalámbrica. Hay muchos usuarios de teléfonos móviles, PC móviles, redes de sensores, LED, circuitos integrados, etc., que pueden beneficiarse. Además, se puede transmitir una importante potencia de microondas con pequeñas antenas a corta distancia hasta los vehículos eléctricos. Investigadores del Instituto de Massachusetts of Technology (MIT) hizo un descubrimiento fundamental cuando propuso y demostró el acoplamiento por resonancia WPT,19 que se basa en tecnologías de filtro de paso de banda (BPF) y acoplamiento inductivo. Con el avance del MIT, ahora, en el siglo XXI, MPT puede aplicarse no sólo a un SPS sino también a varios sistemas móviles comerciales. El desarrollo de estas otras tecnologías avanzadas de microondas, especialmente BPF, que permiten el acoplamiento de resonancia de la TIP, ha dado lugar a una selección de diversos sistemas TIP.
FIGURE 2 | Inductive couplingACOPLAMIENTO INDUCTIVO Y ACOPLAMIENTO POR RESONANCIA
Acoplamiento inductivo WPT
El acoplamiento inductivo WPT se basa en la ley circuito de Ampere y la ley de inducción de Faraday. La ley del circuito de Ampere describe la relación entre el campo magnético integrado alrededor de un circuito cerrado (bobina) y la corriente eléctrica que pasa a través del circuito. La ley de inducción de Faraday describe la relación entre un campo magnético variable en el tiempo y un campo eléctrico inducido. La energía eléctrica se transporta a través del campo magnético entre dos bobinas (Figura 2). La ley del circuito de Ampère y la ley de inducción de Faraday son ejemplos de ecuaciones de Maxwell. La eficiencia de la TIP depende del coeficiente de acoplamiento, que a su vez depende de la distancia entre las dos bobinas. Por lo tanto, la energía inalámbrica no puede transportarse a una distancia superior a unos pocos milímetros con alta eficiencia, y la frecuencia utilizada en el acoplamiento inductivo es inferior a unas docenas de megahercios. La TIP de acoplamiento inductivo es el tipo más antiguo de TIP utilizado en aplicaciones reales. Algunos cargadores de baterías adoptaron el acoplamiento inductivo como tecnología independiente.
En 1995, por ejemplo, la empresa japonesa de electrónica de consumo Sony propuso y vendió tarjetas IC "Felica" con acoplamiento inductivo WPT. En Japón, varios tipos de tarjetas IC, así como el transporte y el dinero electrónico, han adoptado el sistema Felica. La frecuencia del sistema Felica es de 13,56 MHz.
En 2011 se lanzó en Japón una plataforma de carga inalámbrica para teléfonos móviles basada en el estándar “Qi” definido por el Wireless Power Consortium (WPC).20. El estándar Qi se basa en una tecnología WPT de acoplamiento inductivo. El WPC ha participado activamente en la popularización del estándar Qi y el acoplamiento inductivo multipropósito WPT
El acoplamiento inductivo también se ha aplicado a la carga inalámbrica de vehículos eléctricos desde la década de 1980 en los Estados Unidos, cuando se introdujo como parte del proyecto Partners for Advanced Transit and Highways.
En 2009, en Japón, Hino Motors Ltd.21 y Showa Aircraft Industry 22 llevaron a cabo experimentos de campo de carga inalámbrica con un autobús eléctrico utilizando la tecnología de transferencia de energía inductiva desarrollada por Wampfler Co., Alemania. Midieron las emisiones de CO2 en este experimento en comparación con la carga por cable e informaron que el autobús cargado de forma inalámbrica podría reducir la cantidad de emisiones de CO2 debido a la carga de alta frecuencia en comparación con la carga por cable de frecuencia normal.23
Algunas empresas en el mundo, por ejemplo, HaloIPT Co., Evatran Co. y UniServices Co. ofrecen sistemas TIP de acoplamiento inductivo para vehículos eléctricos como productos comerciales. En 2011, la compañía de motores Nissan lanzó un sistema de carga inalámbrico de acoplamiento inductivo para cargar sus coches eléctricos.
Acoplamiento de resonancia magnética WPT
Un resonador se forma añadiendo capacitancia (C) a una bobina de inducción (L) (Figura 3). Dos resonadores están acoplados electromagnéticamente y la energía de un resonador se transmite al otro a través de una onda en modo evanescente. Este fenómeno es bien conocido como teoría de acoplamiento aplicada al BPF de microondas. Sin embargo, no fue hasta 2006 que los investigadores del MIT demostraron un experimento WPT utilizando acoplamiento de resonancia.19 El acoplamiento de resonancia con bobinas se llama acoplamiento de resonancia magnética. La potencia transmitida es principalmente un campo magnético sostenido por la bobna
FIGURA 3 | Acoplamiento de resonancia magnética El acoplamiento por resonancia se realiza con dos conductores planos que pasan a través del campo eléctrico y se denomina acoplamiento por resonancia eléctrica. Después de la publicación de la investigación del MIT, los sistemas TIP de acoplamiento por resonancia magnética se aplicaron a teléfonos móviles y otros dispositivos móviles, televisores, vehículos eléctricos, etc. En Corea, se ha utilizado una técnica de acoplamiento resonante para el suministro de energía inalámbrica para un EV en línea.24 La energía del suministro de 60 Hz se convierte a una frecuencia de 20 kHz mediante una etapa inversora. Se pueden transferir 70 kilovatios de energía de forma inalámbrica desde las líneas eléctricas con una eficiencia del 80%.
En 2011, se celebró en Corea el IFEV2011, un foro internacional de actualidad sobre vehículos eléctricos con carga de energía inalámbrica. En Japón, un grupo de investigación de la Universidad de Tokio llevó a cabo un experimento de carga inalámbrica para un vehículo eléctrico con acoplamiento de resonancia. Como primer experimento, utilizaron una banda de aproximadamente 10 MHz para TIP. Actualmente utilizan aproximadamente 120 kHz para poder utilizar los componentes de la fuente de alimentación. Laboratorio central de investigación y control de Toyota. Inc. y la Universidad Tecnológica de Toyohashi en Japón propusieron un nuevo concepto para la transferencia de energía a través de un condensador compuesto por una correa de acero en un neumático y una placa de metal adherida a la carretera.25 Por otra parte, en 2011, Toyota Motor Corporation invirtió en WiTricity Corporation, el primer inventor del acoplamiento resonante para TIP. IHI Corporation también recibió una licencia de WiTricity Corporation en 2011. Además, la compañía Qualcomm en los Estados Unidos inició experimentos de carga inalámbrica en vehículos eléctricos con resonancia acoplamiento en Londres en 2011..
FIGURA 4 | Eficiencia de transmisión del acoplamiento del acoplamiento resonante. Anteriormente, Qualcomm Company había demostrado una tecnología de carga inalámbrica (la «eZone») para teléfonos móviles utilizando una tecnología WPT de acoplamiento resonante en el Mobile World Congress de 2009,26 que tenía una frecuencia de acoplamiento de 13,56 MHz.
Sony también lanzó un sistema TIP de acoplamiento por resonancia para televisores en 2009. Como siguiente paso, propusieron un nuevo TIP con una bobina receptora simple.27
Teoría del acoplamiento TIP
Recientemente, para el acoplamiento por resonancia magnética, se ha llevado a cabo una investigación teórica basada principalmente en el acoplamiento inductivo. Se ha realizado28,29. Dada la teoría del acoplamiento inductivo, kQ, donde k es el coeficiente de acoplamiento y Q es el factor de calidad de la bobina resonadora, se establece como factor crítico. La máxima eficiencia de transmisión del acoplamiento η se calcula utilizando kQ como se muestra en las siguientes ecuaciones:
donde ω es la frecuencia, R es la resistencia y M es la inductancia mutua. La curva de eficiencia se muestra en la Figura 4. La eficiencia de transmisión del acoplamiento está determinada por kQ. En el acoplamiento inductivo, no se puede utilizar un factor Q alto; por lo tanto, k debería aumentar en función de la distancia entre las dos bobinas.
Sin embargo, en el acoplamiento por resonancia, es fácil aumentar kQ con un factor Q alto incluso si la distancia entre las dos bobinas es grande y el factor k es pequeño (tenga en cuenta que k contiene un parámetro de longitud de onda). Si se selecciona una frecuencia más baja, entonces k aumenta si la distancia y el factor Q son iguales. Como resultado, la distancia TIP con una alta eficiencia se amplía utilizando una frecuencia más baja en un sistema TIP de acoplamiento inductivo o de resonancia. Una frecuencia más baja indica que se puede lograr una mayor eficiencia utilizando componentes de menor costo para el sistema.
FIGURA 5 | Concepto de fuente de energía ubicua. (Reimpreso con permiso de Ref 30. Copyright 2005, URSI.)TRANSMISIÓN DE ENERGÍA POR MICROONDAS
Aplicaciones MPT
La identificación por radiofrecuencia (RF-ID) es actualmente la única aplicación comercial de la TIP a través de microondas. Esta tecnología utiliza principalmente la banda de 900 MHz. Sin embargo, MPT se puede utilizar en diversas aplicaciones. El concepto de fuente de energía ubicua (UPS) se propuso en la década de 1990 y se basa en el concepto de que las microondas están en todas partes y siempre están encendidas con la TIP.30
El concepto de UPS se muestra en la Figura 5. Potencia de microondas a 2,45 GHz [Banda de frecuencia industrial, científica y médica (2,40–2,50 GHz)] se transmite desde los bordes de un techo para cargar teléfonos móviles. Es fácil crear una densidad de potencia de microondas uniforme en la sala del UPS con antenas instaladas en los bordes del techo. Las antenas de ranura se seleccionan como antenas transmisoras debido a su costo reducido. Por la misma razón se utiliza un magnetrón como transmisor de microondas. Sin embargo, en este caso, el magnetrón se estabiliza con un bucle de realimentación de fase adicional y bloqueo de inyección.31 Por lo tanto, las microondas transmitidas son estabilizadas y controlables. Sin embargo, el diseño del UPS está limitado por los problemas de seguridad asociados con la exposición de los seres humanos a las microondas porque el concepto del UPS se basa en una “fuente de energía inalámbrica en todo momento y en todas partes”. El nivel de seguridad es inferior a 1 mW/cm2 para exposición continua en todo el cuerpo humano. Por lo tanto, las rectennas de alta eficiencia son necesarias para operar a una densidad de potencia de microondas de 1 mW/cm2 o menos. En estas condiciones, hemos logrado cargar teléfonos móviles, como se muestra en la Figura 6. Además, se puede utilizar un teléfono móvil en la sala UPS debido a la diferencia entre la potencia de microondas de 2,45 GHz y el sistema de comunicación de 1,9 GHz. Posteriormente, el concepto de UPS se amplió a un espacio abierto. En 2009 se investigó el MPT de una aeronave para cargar teléfonos móviles en una amplia zona.32 Cuando se corta una línea eléctrica, es imposible repararla rápidamente. Sin embargo, el sistema TIP de emergencia propuesto para un dirigible pronto podrá proporcionar Un UPS que puede manejar un teléfono móvil.. En un futuro próximo, si los requisitos de energía de los dispositivos móviles disminuyen lo suficiente, se podrá recibir energía inalámbrica a través de ondas de radio del servicio de transmisión. Esta tecnología se consideraría un tipo de sistema de “recolección de energía”.
FIGURA 6 | Experimento de carga inalámbrica de teléfonos móviles en una fuente de energía ubicua. (Reimpreso con permiso de Ref 30. Copyright 2005, URSI.)La definición de La recolección de energía. o “eliminación de energía” es el proceso mediante el cual se deriva, captura y almacena energía de fuentes externas como la energía solar, la energía térmica, la energía eólica, los gradientes de salinidad, la energía cinética y las ondas de radio. Uno de los recolectores de energía más conocidos es el sistema microelectromecánico de potencia (MEMS), que puede generar energía eléctrica a partir de la fluctuación de un semiconductor MEMS.
El recolector de energía de las ondas de radio transmitidas es una reccena que se utiliza tanto para MPT como para WPT. Un grupo estadounidense utilizó el canal 48 (674–680 MHz) y capturó 60 μW (0,7 V) con una antena Yagi-Uda.33,34
Se ha desarrollado un receptor de recolección de energía para operar a 850–950 MHz usando −6 a −11 Potencia de entrada dBm.35
MPT también se puede aplicar a la carga inalámbrica de un vehículo eléctrico.
A partir del año 2000, la Universidad de Kyoto propuso y desarrolló una técnica MPT para un vehículo eléctrico. La batería del vehículo eléctrico se puede cargar utilizando únicamente transmisión de microondas con una eficiencia del haz teórica del 83,7 % y una eficiencia del haz experimental del 76,0 %.36 Esta eficiencia es lo suficientemente alta como para transmitir energía inalámbrica con microondas. Para esta aplicación se ha desarrollado un nuevo diodo GaN Schottky para aumentar la potencia rectificada y reducir el tiempo de carga.37
Kashima Co., una empresa constructora japonesa, propuso conjuntamente con la Universidad de Kyoto un edificio inalámbrico que utiliza tecnología de energía de microondas.38 Este sistema suministra energía eléctrica de forma inalámbrica utilizando materiales de construcción (placa de cubierta) que actúan como guías de ondas de transmisión de microondas (Figura 7). Por lo tanto, el coste inicial del edificio se puede reducir porque no se necesita ninguna construcción de alambre. La energía de microondas a través de la guía de ondas de la placa de cubierta no se difunde como lo hace en el espacio libre. Bajo el suelo se colocaron rectennas como convertidores de CC. Es fácil cambiar la posición de la reccena porque los microondas están prácticamente por todas partes debajo del suelo. Por lo tanto, el costo del ciclo de vida del edificio se puede reducir, en lugar de aumentar las tarifas eléctricas, mediante la conversión de corriente continua a microondas y corriente continua. En la fase inicial, se consideró el sistema inalámbrico para edificios de oficinas, donde se utilizan principalmente computadoras alimentadas por corriente continua y otros instrumentos de evaluación de resultados. Se estima que un convertidor de CC requiere <50 W y se proporcionan >3 kW de potencia de microondas a una habitación. Se seleccionó una frecuencia de 2,45 GHz basándose en las limitaciones de tamaño de una placa de plataforma convencional y se utilizó un magnetrón como transmisor de microondas para reducir el costo.
FIGURA 7 | Edificio inalámbrico mediante transmisión de energía por microondas.Teoría de MPT
La eficiencia del haz entre una antena transmisora y una reccena receptora se calcula mediante la ecuación de transmisión de Friis, y su expansión se utiliza para calcular la eficiencia del haz en el campo cercano. La ecuación de los friis de transmisión se aplica al campo lejano como sigue
Las eficiencias del haz en los campos lejano y cercano calculadas utilizando el parámetro τ se muestran en la Figura 8. El valor de τ 2 en sí indica la eficiencia sobre la base de la ecuación de Friis. La eficiencia del haz se puede aumentar hasta casi el 100% cuando τ > 2. Esta curva teórica es similar a la que se muestra en la Figura 4 para el acoplamiento de resonancia WPT.
FIGURA 8 | Eficiencia del haz en el campo lejano y cercano usando el parámetro τ. Después de recolectar la potencia del microondas, se debe convertir a CC en la reccena. La rectenna se compone de una antena que recibe energía de microondas, un filtro de paso bajo que evita que los armónicos más altos lleguen al rectificador y un rectificador con diodo(s) y un filtro de salida para rectificar la señal de microondas recibida a CC. La eficiencia ideal del circuito rectificador es del 100%. En la reccena, un circuito rectificador de onda completa de derivación única con un diodo, una línea distribuida λ/4, y normalmente se utiliza un condensador para reducir la pérdida en el diodo. En teoría, la reccena puede rectificar señales de microondas con una eficiencia del 100% con un solo diodo.39 Yoo y Chang40, de la Universidad Texas A&M, describieron un enfoque teórico con un diodo real.
CONCLUSIONES
Hace más de 100 años, Tesla soñó que se podía eliminar la necesidad de utilizar cables para transmitir energía eléctrica. En el siglo XXI, ahora se puede recibir energía inalámbrica para cargar teléfonos móviles y vehículos eléctricos. Teóricamente, la tecnología del sueño de Tesla y la del presente son la misma. La única diferencia es que otras tecnologías eléctricas, incluidas las baterías y los semiconductores, siguen siendo necesarias. Nuestras mentes han cambiado. A finales del siglo XIX nadie creía en la energía inalámbrica. Ahora lo hacemos. Se han realizado experimentos y productos comerciales con TIP con éxito. Hoy sueño que, en un futuro próximo, no se necesitarán cables ni pilas para la energía eléctrica.
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