Wireless Power Transfer Actualidad y futuro de esta revolucionaria tecnología

Wireless Power Transfer

Actualidad y futuro de esta revolucionaria tecnología

Doncel David Fernando, Martínez Julián Andrés

20131007080,20131007079

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Bogotá – Colombia

2017

Resumen – se presentan las diferentes tecnologías existentes hoy en día que permiten transmitir potencia sin cables. La transmisión de potencia inalámbrica es la técnica que distribuye la energía eléctrica sin la necesidad de utilizar una onda guiada. Cualquier sistema que implemente esta técnica tendrá que cubrir necesariamente tres pasos:

1. Conversión de la energía eléctrica DC o AC en potencia RF
2. Transmisión de la potencia RF
3. Recepción de la potencia RF y su posterior reconversión a DC o AC.

Se consideran tres tecnologías distintas que cumplen el propósito anunciado. En primer lugar el acoplo reactivo, que consiste en el uso de bobinas y sus propiedades de acoplamiento mutuo para proveer energía desde el transmisor hasta el receptor. Esta solución estará aplicada en su mayoría a soluciones pertenecientes al campo cercano, donde trabaja en un entorno de transmisión inductiva. La acción de un transformador eléctrico es el ejemplo más simple de transferencia de energía inalámbrica. Al igual que en este ejemplo, el circuito primario y el secundario no están directamente conectados; es por esto que el sistema puede ser considerado inalámbrico. A pesar de que en un principio esta tecnología estaba restringida a aplicaciones de corto alcance, en los últimos años se han diseñado sistemas con un alcance entre el receptor y el transmisor de hasta 5 metros. [1]

Index terms – energía, inalámbrica, potencia, transmisión, WTP, radiofrecuencia, estructura.

1. INTRODUCCION

La posibilidad de trabajar dispositivos electrónicos inalámbricamente ha crecido exponencialmente durante los últimos años, ¿pero se puede decir que todos estos dispositivos son totalmente inalámbricos? La gran mayoría de ellos no usan cables mientras están en uso, como celulares o computadores portátiles, sin embargo, estos dispositivos siguen siendo “dependientes del cable” debido a que sus sistemas integran baterías las cuales tienen que ser recargadas o reemplazadas; de esto nace la necesidad de estudiar no solo la transmisión de información de forma inalámbrica, sino también una fuente de alimentación que permita recargar las baterías de los dispositivos, haciendo de estos, dispositivos electrónicos realmente inalámbricos.

La transferencia de energía inalámbrica, Wireless Power Transfer (WTP) en inglés, consiste en establecer una conexión entre dos entidades, la cual soporte un intercambio energético sin necesidad de medios físicos, como podrían ser cables. [2] La transmisión inalámbrica es la técnica que permite distribuir energía eléctrica sin necesidad de usar una onda guiada (a través de conductores). Contrario a la transferencia de datos, en la WTP la eficiencia es el parámetro clave. La transmisión de energía inalámbrica necesita un sistema que cubre tres pasos:

1. Conversión de energía eléctrica de C.C o A.C a energía de radiofrecuencia (RF).
2. Transmisión de energía de radiofrecuencia (RF).
3. Recolección de la energía RF y conversión a energía eléctrica de C.C. o A.C [3]

1. ANTECEDENTES

Los inicios de la WTP

La primera idea para la transmisión de energía eléctrica apareció a finales del siglo XIX con las ideas y experimentos del inventor Serbio Nikola Tesla. Entre 1891 y 1893 patento un sistema de iluminación eléctrica y demostró un sistema de energía inalámbrica para lámparas fluorescentes. Utilizo una bobina de Tesla que se conectó a un mástil de 60 metros de altura y en su parte superior un toroide 90 cm de diámetro (Figura 1). La bobina de Tesla fue alimentada con una energía de 300kW la cual tuvo una resonancia de 150 kHz, sin embargo, no hay registros sobre la cantidad de energía que se podía transmitir a un punto distante. [3]

Tesla trato de mantener algunas bobinas, pero por problemas económicos su proyecto no pudo ser terminado.

[pic 1]

Fig. 1. Bobina de Tesla

Algunas de las invenciones de Nikola Tesla estaban adelantadas a su época, es por eso que no hubo intentos de desarrollar las ideas de Tesla hasta 20 años después.

En 1930 se logró un gran progreso en la generación de microondas de alta potencia gracias a la invención del magnetrón^[1] y del klistrón^[2]. Aunque el magnetrón fue inventado por AW Hull en 1921, el tubo de magnetrón práctico y eficiente sólo reunió el interés mundial después de que Kinjiro Okabe propuso el magnetrón divisor de tipo anódico en 1928. La generación de microondas por el klistrón fue alcanzada por los hermanos Varian en 1937, basados en la primera idea de los hermanos Heil en Alemania en 1935.

Una nueva era para la transmisión de energía inalámbrica (WTP) comenzó en los años 50, con los generadores de microondas de alta potencia. En 1958 se inventó un tubo amplificador de campo transversal de banda S con una potencia media de 15 KW. Logró una eficiencia de conversión del 81%. [4], [5].

Historia moderna de la WTP basada en inducción.

En 1960 aparecieron nuevos intentos de continuar con las investigaciones de energía inalámbrica, en este año se inició una investigación para construir corazones artificiales impulsados por inducción. [6]. Las investigaciones se llevaron a cabo principalmente en el campo de la salud. Se buscaron aplicaciones con baja separación entre el emisor y el receptor.

En 1965 se encontraron mejoras en el transporte de energía usando núcleos de ferrita para las bobinas utilizadas, se hicieron estudios teóricos detallados haciendo un énfasis especial en núcleos de hueco esférico y esferoidales, indicando la forma en la que se relaciona la eficiencia con la geometría del núcleo y las características magnéticas y eléctricas de la ferrita. [7].

En 1977, Wen H. Ko Sheau, P. Liang Cliff y D. F. Fung escribieron un documento en el que se describió un procedimiento de diseño de siete pasos para las bobinas de transmisión y recepción basándose en R.F. [8]. Los resultados experimentales estuvieron dentro de los intervalos de eficiencia total del sistema deseados de 18% y 23%, respectivamente. Un sistema de transmisión de señales transcutáneas para una prótesis auditiva fue sido diseñado por Erwin S. Hochmair en 1984. El objetivo principal de este trabajo fue optimizar las geometrías de la bobina y evitar que el amplificador de salida de RF se saturara. [9].

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