Brezžično polnjenje baterije

Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta Brezžično polnjenje baterije Petra Gulja Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I Mentor: dr. Janez Jamšek, doc. Ljubljana, 2009

Povzetek V seminarski nalogi je predstavljeno brezžično polnjenje baterije in je namenjena učitelju tehnike, da ga seznani z novostmi na področju tehnike in tehnologije. Predstavljeno je zgodovinsko ozadje brezžičnega prenosa energije, princip delovanja le-tega ter brezžično polnjenje baterije, opisani so tudi izdelki, kateri so opremljeni s tem sistemom polnjenja.

Kazalo 1 Uvod... 4 2 Navezovanje na učni načrt... 4 3 Pregled obstoječega gradiva... 4 4 Brezžično polnjenje baterije... 4 4.1 Brezžični prenos energije... 4 4.2 Način prenosa brezžične energije... 5 4.2.1 Elektromagnetna indukcija... 5 4.2.2 Transformator... 5 4.2.3 Resonančna indukcija... 5 4.3 Način brezžičnega polnjenja baterije... 6 4.4 Prednosti in slabosti... 6 4.5 Primeri brezžičnega polnjenja baterije... 6 4.5.1 Električna zobna ščetka... 6 4.5.2 Dellov prenosnik... 7 4.5.3 Energetska plošča... 7 5 Sklep... 8 6 Literatura... 9 7 Priloge... 10 A Učni list... 10 B Rešen učni list... 11 3

1. Uvod Elektronske prenosne naprave so postale stalnica v življenju vsakega posameznika. Ena izmed večjih težav pa predstavlja njihovo polnjenje. Če uporabljamo več elektronskih naprav, namreč potrebujemo za vsako svoj polnilec. Naši domovi in pisarne niso videti nič kaj privlačne ob vsej tej zmešnjavi žic in električnih priključkov. Zato ideja o brezžičnem polnjenja prenosnih naprav, kjer npr. mobilni telefon za polnjenje preprosto odložite na posebno podlago, zveni odlično. Princip na katerem temelji brezžično polnjenje baterije je bil zasnoval že Nikola Tesla, leta 1900. Sedaj pa so se pojavile drastične novosti na tem področju, saj lahko s pomočjo načina imenovanega resonančna indukcija dejansko brezžično polnimo baterijo. 2. Navezovanje na učni načrt Zaradi zahtevnosti teme seminarske naloge je predvsem namenjena učitelju, vendar ob primerni predstavitvi, lahko tematiko razumejo tudi učenci. Seminarska naloga se navezuje na kar nekaj delov učnega načrta in sicer: v šestem razredu učenci spoznajo osnovne pojme o energiji ter o virih energije; v sedmem razredu obravnavajo ohranitev energije in prenašanje energije z električnim tokom; v osmem razredu obravnavajo snov energetika. Seveda, ker je to nekoliko zahtevnejša tematika je najbolj primerna za učence osmega razreda, kateri že vedo nekaj o energiji in najlažje sledijo razlagi in le-to tudi razumejo [12]. 3. Pregled obstoječega gradiva V učnem načrtu Tehnike in tehnologije [12] so navedene vsebine, ki jih v osnovni šoli obravnavajo v posameznih razredih. Zgodovinska opredelitev brezžičnega prenosa energije je navedena v knjigi o Nikoli Tesla [1]. Indukcija je podrobno opredeljena v [1]. Na svetovnem spletu pa najdemo veliko informacij o načinu brezžičnega prenosa energije, indukciji, konkretnih primerih brezžičnega polnjenja baterije in so zbrane na internetnih straneh [1]. 4. Brezžično polnjenje baterije Brezžično polnjenje baterije je princip polnjenja, kateri nam omogoča, da brez kakršnih koli kablov, žic ali drugih prevodnikov napolnimo baterijo. 4.1 Brezžični prenos energije Brezžični sistem je sistem pri katerem gre za prenos podatkov na razdalje brez uporabe električnih vodnikov oziroma žic. Te razdalje so lahko kratke (televizijski daljinski upravljalnik) ali daljše (več kilometrska radijska komunikacija). Poznamo več oblik prenosa energije in sicer: preko elektromagnetnega valovanja (indukcija), s pomočjo radijskih valov, za daljše prenose energije pa za enkrat poznamo le prenos preko mikrovalov, ki so del elektromagnetnega spektra. V seminarski nalogi je predstavljen princip prenosa preko elektromagnetnega valovanja, ker je ta način najbolj praktičen za polnjenje baterij [1]. Prvi znanstvenik, ki se je začel ukvarjati z brezžičnim prenosom energije je bil srbski znanstvenik Nikola Tesla (1856-1943). Zgoraj omenjeni je patentiral veliko izumov in eden izmed njih je tudi princip brezžičnega prenosa energije. To je skušal dokazati leta 1900 s pomočjo stolpa imenovanega Wardenclyffe. Stolp naj bi vseboval transformatorje (Tesla coil) s pomočjo katerih bi proizvajal visoke napetosti, pri visokih frekvencah. Na ta način je skušal brezžično prenašati energijo na daljše razdalje. Vendar stolpa niso nikoli dokončno sestavili, saj so stroški izgradnje znatno presegali Teslova predvidevanja in so projekt morali zaustaviti. Pomanjkanje financ je nastalo tudi zaradi dejstva, ker investitorji niso videli prihodnosti v vsesplošno dosegljivi energiji Error! Reference source not found.4, [5]. Do sedaj je ta princip še neodkrit, vendar pa se razvija brezžični prenos energije na manjše razdalje, to so razdalje npr. nekaj milimetrov, prenos energije npr. znotraj sobe, pa je še zelo neraziskan. Vendar skupina znanstvenikov na Massachusetts Institute of Technology (MIT), z vodjo projekta Marinom Soljačič že raziskujejo oziroma dograjuje ta prenos Error! Reference source not found.4, [6].

4.2 Način prenosa brezžične energije Brezžični prenos energije na krajše razdalje poteka preko elektromagnetnega valovanja in sicer: indukcija in resonančna indukcija, kot prikazuje Slika 4.2. 4.2.1 Elektromagnetna indukcija Električno polje ustvarjajo pozitivni in negativni električni naboji, razporejeni po prostoru, ter magnetno polje, katerega izvori so električni tokovi. Poznamo tudi električno polje, ki nastane s spremembami v magnetnem polju, t.i. inducirano električno polje. Čeprav to polje ni neposredno povezano z električnimi naboji, ima povsem enake lastnosti kot običajno električno polje, npr.: deluje z električno silo na električne naboje in jih premika. S spremembami v magnetnem polju ustvarimo električne tokove, to je električna energija. Ta možnost je za prakso zelo pomembna saj omogoča pridobivanje električne energije iz drugih oblik energije, npr.: iz potencialne ali kinetične [12]. Pojav, da se s spremembami v magnetnem polju nastane električno polje oziroma napetost, se imenuje magnetna indukcija, nastala napetost je inducirana napetost; tok, ki ga inducirana napetost poganja skozi tokovni krog, je inducirani tok [12]. 4.2.2 Transformator Transformator je najosnovnejša naprava, ki temelji na indukciji, Slika 4.1. Vsebuje dve, med seboj s plastjo izolatorja ločeni bakreni navitji, ki ju imenujemo tuljavi. Do prenosa energije pride zaradi prej omenjene elektromagnetne indukcije. Ko je na prvo navitje doveden tok, to povzroči nastanek magnetnega polja, ki povzroči, da tok steče tudi na drugem navitju, ki je prav tako v polju. Sprožen tok na sprejemni tuljavi je le začasen in če želimo ohraniti konstanten prenos energije moramo oddajno tuljavo vžigati in ugašati ali pa ji spreminjati smer toka (izmenični tok). S tem želimo spreminjati smer magnetnega polja in tako ohraniti tok [8][1]. Slika 4.1: Transformator [8][1]. 4.2.3 Resonančna indukcija Za brezžični prenos energije do nekaj metrov daje boljše rezultate resonančna indukcija. Delujoč prototip so leta 2006 naredili v MIT-u, ko so na razdalji dveh metrov brezžično dovedli energijo na 60 W žarnico. Omejitev pri elektromagnetni indukciji je, da prva tuljava ustvarja magnetno polje, ki se širi v vse smeri, tudi v smeri, kjer ni druge tuljave, v kateri se inducira tok. To pa pomeni, da pri tem prihaja do izgub, kar je še posebej očitno, če bi radi nekoliko povečali razdaljo. To je možno zgolj s povečevanjem energije, a na večjih razdaljah je tudi ta metoda neučinkovita. Drugače pa je z resonančno indukcijo oziroma resonančnim transformatorjem, kjer imata tuljavi enako resonančno frekvenco. Enako frekvenco pa določimo tako, da ko vemo lastno resonanco sekundarne tuljave, določimo takšno frekvenco s katero se polje spreminja v primarni tuljavi in tako se pretok energije v sekundarni tuljavi izboljša (manjše izgube). Za razumevanje tega učinka si lahko pomagamo tudi z mehanično resonanco. Mehanični resonator je struna, uglašena na določen ton, nekoliko stran pa je postavljen generator zvoka. Če generator oddaja ton s frekvenco, ki je enaka resonančni frekvenci strune, ta začne nihati (vibrirati) [9]-[11]. Pri tem načelu magnetno polje potuje od prve tuljave skozi»predor«do druge. V primerjavi z večslojnimi tuljavami navadnih transformatorjev ima sprejemna resonančna tuljava en sloj z ozko razmaknjenimi 5

kondenzatorskimi ploščami na vsakem koncu, ki omogoča, da je tuljava uglašena z oddajno. Resonančna indukcija poveča razdaljo, na kateri je brezžični prenos energije možen to pomeni, da izgube niso prevelike in je izkoristek med energijo, ki jo dovajajo v oddajni del in tisto, ki jo sprejme sprejemni del, v razumnih okvirih [9]-[11]. Indukcija in resonančna indukcija sta v osnovi zelo podobni. Električni tok na eni strani ustvari magnetno polje, ki na drugi strani povzroči nastanek toka. Bistvo je torej, kolikšne so izgube in kolikšna je razdalja, na kateri je brezžični prenos možen [8]. Slika 4.2: Način prenosa energije Error! Reference source not found.[15]. 4.3 Način brezžičnega polnjenja baterije Gre za brezžično oddajanje (podlaga) in sprejemanje (elektronska naprava) elektromagnetnih valov z elektromagnetno radiacijsko tehnologijo. S tem dosežemo brezžične prenos energije, ki posledično omogoča brezžično polnjenje baterije. [12]. 4.4 Prednosti in slabosti Prednost brezžičnega polnjenja v primerjavi s klasičnem polnjenjem, ko gre za žično povezavo med baterijo in polnilnikom, je v tem, da uporabnik ne more priti v neposredni stik z elektriko (ne pride do električnega udara). Zato je še posebej primerno pri napravah v vlažnih ali mokrih okoljih, kot je na primer električna zobna ščetka. Prednosti takšnega načina polnjenja baterije je tudi v tem, da so podlage, ki nam omogočajo prenos energije majhne, estetske ter da drastično zmanjšajo število električnih kablov. Poleg tega so brezžične podlage lahko vgrajene tudi v površine miz, v avtomobile, stene in na druge površine Pa tudi druge številne prednosti prinaša brezžično polnjenje, saj nam tako ni potrebno kupiti, shranjevati in potem tudi uničiti celo množico polnilcev, ki jih sicer moramo imeti [1]. Prednosti takega polnjenja je pravzaprav veliko, a ob tem se vedno pojavijo tudi nekatere pomanjkljivosti. In sicer slabosti tega principa so velike izgube, saj se učinek magnetnega polja manjša z kvadratom oddaljenosti. Pri tem je pomembno tudi orientacija, ker če element, ki ga želimo polniti ni vzporeden z oddajnikom signala, nastanejo prav tako večje izgube in prenos energije se ustavi. Pomanjkljivost brezžičnega polnjenja je tudi v tem, da brezžične tehnologije niso med seboj kompatibilne ter da vsaka naprava mora imeti svoj unikaten sprejemnik. Ob vsem tem se tudi pojavi vprašanje ogrožanja zdravja ljudi, zaradi novo nastalih elektromagnetnih valov [1]. 4.5 Primeri brezžičnega polnjenja baterije Pripomočki (ecoupled, PowerMat) temeljijo na podobnem principu. Na posebno inovativno tanko podlago (PowerMat) ali točko (ecoupled) položimo svojo napravo (mobilni telefon, brezžično miško, glasbeni predvajalnik, prenosni računalnik, električno svetilko, električno zobno ščetko...) in ta se bo brez kakšnih posegov ali priključevanja nemudoma začela polniti [8]. Primeri naprav, pri katerih je že mogoč ta način polnjenje baterije so opisani v nadaljevanju. 4.5.1 Električna zobna ščetka 6

Eden izmed najbolj pogostih in hkrati enostavnih primerov brezžičnega električnega polnjenja baterije je električna zobna ščetka, prikazana na Slika 4.3. Princip delovanja prenosa energije je prikazan na Error! Reference source not found. (a), podoben je principu, katerega srečamo pri transformatorju, (Error! Reference source not found. (b)), le da je tukaj drugi del oz. sprejemna tuljava, ločen od prvega oz. oddajne tuljave, [[1]. Slika 4.3: Električna zobna ščetka [1]. (a) (b) Slika 4.4: (a) Princip brezžičnega polnjenja in (b) princip navadnega polnjenja [1]. 4.5.2 Dellov prenosnik Prva naprava, ki vsebuje lasten brezžični polnilnik, je bil Palm Pre (mobilni telefon), druga, morda nekoliko bolj zanimiva, pa Dellov prenosnik družine Latitude Z, prikazan na Slika 4.5 (a). Vanj so vgradili tako imenovano tehnologijo prilagodljivega induktivnega polnjenja podjetja ecoupled. Ta tehnologija je v obliki podstavka, ki je priključen v električno vtičnico, nanj pa postavite prenosnik. V prenosnik in v podstavek sta vgrajeni tuljavi premera med 35 in 45 milimetrov. Razdalja med obema tuljavama mora biti majhna, oba dela»polnilnika«pa se med seboj sporazumevata tako, da prenosnik podstavku»pove«, koliko energije potrebuje. Baterija naj bi se napolnila v času 3 do 4 ur, potem pa se proces polnjenja prekine [[8],Error! Reference source not found., [15]. 4.5.3 Energetska plošča Energetska plošča, prikazana na de Z in (b)5 (b), je izdelek pri katerem gre za dve različici polnilne plošče: ena je celovita in namenjena statični domači uporabi, druga pa zložljiva in namenjena prenosu, princip delovanja je pa isti pri obeh, le funkcionalnost je različna. Sestavni deli so pa naslednji, in sicer: univerzalni»sprejemnik«s priključkom USB in z osmimi vmesniki (adapterji) za priklop naprav, ki jih želite napolniti. Na voljo so tudi dodatki za preprostejše polnjenje, na primer ohišje za iphone. Vendar je te treba posebej kupiti in namestiti na napravo, kateri želimo brezžično napolniti baterijo Error! Reference source not found., Error! Reference source not found.. V primeru, ko nimate katerega od posebnih dodatkov, lahko uporabite univerzalnega. Pomembno je, da tega postavite na pravo (označeno) mesto plošče. Na plošči so tri oznake, zato lahko na njej hkrati polnite do tri naprave. Sprejemnik na mestu drži magnet, plošča pa z nežno belo svetlobo in značilnim zvokom sporoči, da ste ga postavili na pravo mesto [8], Error! Reference source not found.. 7

Polnjenje tudi tukaj poteka po načelu elektromagnetne indukcije. Pred začetkom polnjenja se polnilnik in sprejemnik sporazumeta prek vgrajenega čipa RFID. Tako plošča ve, katero napravo bo polnila, koliko moči je potrebno, ve pa tudi, kdaj je baterija naprave polna, da lahko prekine postopek polnjenja. Čas polnjenja baterije na takšen način je enak času polnjenja prek klasičnega polnilca [8]. (a) (b) Slika 4.5: (a) Latitude Z in (b) Energetska plošča [8]. 5 Sklep Prenos brezžične energije je zelo pomemben proces, kateri je dobil temelje že v začetku 19. stoletja in zato lahko rečemo, da je že zelo star. Vendar zaradi različnih ovir ni bil nikoli dokončan, sedaj pa ga znanstveniki uspešno razvijajo in je v neki meri že dejansko zaživel v našem vsakdanjiku, z dodatnim razvojem bo pa še bolj prisoten. Prav ta prenos brezžične energije se kaže v brezžičnem polnjenju baterije. Trenutno je razvit princip na krajše razdalje, vendar je le vprašanje časa, kdaj bomo lahko to opravljali tudi na daljše razdalje. V tem vidimo veliko prednosti, saj nam omogoča večjo enostavnost polnjenja, varnost (vlažno okolje), okolju bolj prijazen način,.. Seveda, pa se ob tem vprašamo tudi o slabih lastnostih, ki jih obenem prinaša na princip polnjenja. Če samo pomislimo na posameznikovo zdravje, kateremu dodatni elektromagnetni valovi, ne morejo ravno delati pozitivnih učinkov. A tehnologija se vseskozi razvija in pri tem tudi skuša odpravljati pomanjkljivosti, ki nas bremenijo. 8

6 Literatura [1] Učni načrt: [http://www.zrss.si/doc/_pp_nis_tehnika_in_tehnologija.doc]. [2] How Wireless Power Works: [http://electronics.howstuffworks.com/wireless-power1.htm]. [3] V.Valenčič, Osnove elektrotehnike II (Ljubljana, Založba FE in FRI, 2000). [4] A.Milinković, Nikola Tesla izumitelj za tretje tisočletje (Ljubljana, ARA, 1997). [5] Nikola Tesla: [http://en.wikipedia.org/wiki/nikola_tesla]. [6] New Nikola Tesla Tesla s dream come true: [http://www.youtube.com/watch?v=18qf0zi2dg8&feature=related]. [7] R.Kladnik: Fizika 3 (Ljubljana, DZS, 1995). [8] Elektrika brez žic: [http://www.mojmikro.si/v_srediscu/tehnologije/elektrika_brez_zic]. [9] Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer: [http://www.mit.edu/~soljacic/wirelesspower_aop.pdf]. [10] Induction Coil: [http://science.howstuffworks.com/induction%20coil-info.htm]. [11] Wireless energy transfer: [http://en.wikipedia.org/wiki/wireless_energy_transfer]. [12] Wireless battery charging: [http://patft.uspto.gov/netacgi/nph- Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r= 1&f=G&l=50&s1=7,471,062.PN.&OS=PN/7,471,062&RS=PN/7,471,062]. [13] Explain that stuff: [http://www.explainthatstuff.com/inductionchargers.html]. [14] Dell Adds Wireless Battery Charging to New Laptop: [http://www.pcworld.com/businesscenter/article/172774/dell_adds_wireless_battery_charging_to_new_ laptop.html]. [15] Techology works ecoupled: [http://www.leggettecoupled.com/how-ecoupled-technology-works.asp]. [16] Powermat products: [http://www.powermat.com/us/products/]. [17] Wireless Powermat Phone Charger: [http://www.youtube.com/watch?v=ced9dmaz2ju]. 9

7 Priloge A Učni list i. Brezžični prenos energije na krajše razdalje poteka preko: valovanja. ii. Poimenuj dele sheme, ki ponazarja način prenosa brezžične električne energije: iii. Naštej nekaj prednosti brezžičnega polnjenja baterije? iv. Naštej nekaj slabosti brezžičnega polnjenja baterije? 10

B Rešen učni list i. Brezžični prenos energije na krajše razdalje poteka preko: elektromagnetnega valovanja. ii. Poimenuj dele sheme, ki ponazarja način prenosa brezžične električne energije: iv. Naštej nekaj prednosti brezžičnega polnjenja baterije? Uporabnik ni v neposredem stiku z elektriko (ne pride do električnega udara), zato je še posebej primerno pri napravah v vlažnih ali mokrih okoljih. Ekonomično glede na to da moramo vedno znova kupiti nove polnilnike, s tem bolj okoljevarstveno, enostavnost uporabe, v. Naštej nekaj slabosti brezžičnega polnjenja baterije? Velike izgube, orientacija, vsaka naprava mora imeti svoj unikaten sprejemnik, ogroža zdravje, 11