Juhtmevaba laadimine

Ajalugu

Juhtmevaba energia edastamine sai alguse 20. sajandi alguses, kuid füüsika põhiseadused, millel põhinevad energia edastamise tehnoloogiad, on olnud formuleeritud oluliselt varem. Põhilised ajaloolised etapid:

1826–1830

Andre-Marie Ampere, kes on elektromagnetismi avastaja, defineeris 1826. aastal Ampère'i seaduse, mis näitab, kuidas elektrivool tekitab magnetvälja. Michael Faraday defineeris elektromagnetilise induktsiooni põhiseaduse, mis selgitab, kuidas muutuva magnetvoo abil saab traadis elektromagnetilist jõudu muuta.

1860–1880

James Clerk Maxwell kasutas Faraday eksperimentaalseid andmeid ning andis neile täpsete matemaatiliste võrrandite vormi. Need võrrandid kirjeldasid elektromagnetvälja ühendamist elektrivoolu ja laengutega ning tulemuseks oli elektromagnetlainete olemasolu hüpotees. Heinrich Hertz kinnitas oma eksperimentides Maxwelli ennustatud elektromagnetlainete olemasolu.

1889–1895

Nikola Tesla kasutas esimesena traadita elektriülekannet elektrostaatilise induktsiooni abil. Ta suutis juhtmevabalt sisse lülitada elektripirne resonantsinduktiivse sidestusega. Jagdish Chandra Bose helistas esimesena uksekella, kasutades elektromagnetlaineid. Guglielmo Marconi demonstreeris raadioedastust umbes kahe kilomeetri kaugusel. 1895. aastal Aleksandr Popov edastas Morse koodi kasutades esimest raadiosaadet.

1905–1918

1901. aastal lõppes Tesla torni ehitus. Antud torni kasutati energia edastamiseks, ringhäälinguks, juhtmevabaks sideks ja juhtmevaba energia edastamiseks. Elektriväljad olid suured ning seetõttu polnud voolu edastamine väga efektiivne. Leiutis osutus ebaedukaks ning revolutsiooniline tehnoloogia jäi puutumatuks mitmekümneks aastaks kuni mikrolainete tehnoloogia tekkimiseni.

1927–1969

William C. Brown esitas ettepaneku alternatiivallikana kasutada päikeseenergiat ning edastada seda kosmos satelliidi tarbeks kasutades traadita energiaülekannet. Ta demonstreeris mudellennukit, mis sõitis juhtmevaba energia jõul.

1974–1999

1980-ndatel tehti mikrolainete energia edastamisega palju katseid Jaapanis. Hiroshi Matsumoto Kyoto Ülikoolist viis läbi katse, mis näitas mikrolainete energia edastamist läbi ionosfääri. Avastati ja võeti kasutusele raadiosagedustuvastus ehk RFID (ingl. Radio Frequency Indentification). Goldstone Deep Space Communications katsetas meetodeid RFID-märgiste toitmiseks kasutades elektrodünaamilist induktsiooni. 1990-ndate alguses ilmusid esimesed elektrilised hambaharjad Brauni poolt, mis töötasid magnetilisel induktsioonil.

2008–2013

Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teadlased töötasid välja raadiotehnoloogia WiTricity, mis põhineb väga madala sagedusega elektromagnetlainete resonantsil. 2008. aastal asutati Wireless Power Consortium (WPC) eesmärgiga luua universaalne laadija, mida saaks kasutada eri tootjate seadmetega. Samal eesmärgil oli loodud 2012. aastal Power Matters Allianse (PMA), mis ühines 2015. aastal Alliance for Wireless Poweriga AirFuel Alliance'iks. WPC töötas välja aku laadimise Qi standardi, mis toetab nii induktiivset kui ka resonantset laadimistehnoloogiat. AirFuel Alliansi PMA standard on Qi standardi suurim konkurent ning töötab vastastikuse induktsiooni põhimõttel.
Üks esimesi olmeseadmeid, mis kasutab juhtmevaba laadimist, on elektrooniline hambahari.

Magnetiline resonants

Magnetilise resonantsi meetod on sisuliselt analoogne juba mainitud magnetilise induktsiooni meetodiga: süsteemis samuti saatja ja vastuvõtja poolid, mille diameeter on võrdne, kuid poolidevaheline kaugus on mõnevõrra suurem. Erinevus on ka selles, et süsteem töötab vastuvõtja resonantssagedusel. Võrreldes magnetilise induktsiooniga, resonantsi tehnoloogia kasutamine energia edastamiseks on väiksema efektsiivsusega. Magnetilise resonantsi ja induktsiooni põhimõttel töötab levinuim Qi juhtmevaba laadimise standard.

Ultraheli ja mikrolainete kiirgus

Ultraheli töö põhineb helilainete peegeldumisel ja ülekandel. Saatjast saadetakse ultraheli vastuvõtjale, mis konverteerib saadud signaali elektrienergiaks. Võrreldes üleval mainitud meetoditega saab energiat ülekanda teineteisest kaugemal olevate objektide vahel, kuid kuna energia konversioon ei toimu kaotusteta, siis antud meetodi kasutegur on madal. Mikrolainelise kiirguse puhul saadetakse mikrolaineid. Väljakiiratud elektromagnetlaine peegeldub objektilt tagasi ja osa lainest püütakse kinni antenniga, mis muudab selle elektriks. Mikrolainete edastamise ülemaailmseks rakenduseks on ruumi päikeseenergia satelliidid (SPS). Selles rakenduses on päikeseenergia hõivatud ruumis ja muundatud elektrienergiaks. Elektrienergia muundatakse mikrolaineteks ja edastatakse maa peale. Mikrolaine võimsust jäädvustavad antennid ning see võimsus muudetakse elektrienergiaks. NASA uurib endiselt SPSi võimalusi. Mikrolaineline meetod annab võimaluse edastada energiat kaugemal olevatele objektidele ning kasutegur on suur.

Qi

Mobiilseadmete tootjad töötavad kahe peamise standardiga, mis olid välja töötatud AirFuel ja Wireless Power Consortiumi liidu poolt.
Wireless Power Consortiumi (WPC) liit, mis hõlmab selliseid tuntud ettevõtteid nagu HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony ja umbes sada muud organisatsiooni, töötas välja aku laadimise Qi standardi (hääldatakse /tʃiː/ CHEE). See standard, nagu mainitud, toetab nii induktiivset kui ka resonantset laadimistehnoloogiat: induktiivsel laadimisel saab energia läbida saatja ja vastuvõtja mähist kaugusel < 7 mm, resonantslaadimine ei vaja hoolikat häälestamist ja laadijad suudavad seadet tuvastada ja laadida > 40 mm kaugusel. Qi laadijad kasutavad kas induktiiv- või resonantsirežiimi sõltuvalt saatja ja vastuvõtja poolide vahelisest kaugusest.
Esmakordsel kasutuselevõtul oli Qi laadimine väikese võimsusega ehk ligikaudu 5 W. Esimesed nutitelefonid, mis kasutavad Qi laadimist, võeti kasutusele 2011. aastal. 2015. aastal suurenes Qi võimsus 15 vatile, mis võimaldab kiiret laadimist.

PMA

Qi tõsiseks konkurendiks on AirFueli liidu poolt, mis hõlmab P&G, Powermate'i, AT&T, Google'i, Starbucksi, BlackBerry, ZTE, Samsungi ja teisi, välja toodetud PMA standard. PMA standard töötab vastastikuse induktsiooni põhimõttel. Põhiline erinevus võrreldes Qi standardiga on sagedus: Qi töötab 100–205 kHz, PMA 277–357 kHz.

Rezence (A4WP)

Standard Rezence (A4WP) on eelmistega võrreldes veel vähem populaarne, kuid väärib mainimist, kuna energiaedastus põhineb magnetresonantsil. See omakorda võimaldab oluliselt suurendada kasutusala, kahe objekti vahelist kaugust ning võimalust laadida mitu seadet korraga. Edastatav võimsus võib ulatuda 50 vatini, mis võib olla piisav isegi sülearvuti jaoks.
Vaatamata sellele, et see standard ja kasutuselevõetud meetod on paljutõotav, ei saa Rezence veel suure eduga kiidelda. Tehnoloogiat toetavad Qualcomm, LG, Intel, HTC ja teised, kuid Rezence pole siiani jõudnud turule.