La tecnologia del trasferimento wireless di potenza (WPT) sarà una delle innovazioni che cambieranno il prossimo futuro. Il campo delle applicazioni possibili varia dall'ambito domestico, come il funzionamento di elettrodomestici senza la necessità dei connettori, a quello della mobilità sostenibile, come l'alimentazione di autovetture elettriche senza tempi di ricarica, e molte altre ne sorgeranno nei prossimi anni. In questo articolo verrà fornito un rapido riassunto sulla storia del trasferimento di potenza senza fili, quindi una carrellata sulle moderne applicazioni di questa tecnologia ed infine verrano esaminati i meccanismi fisici alla base del loro funzionamento. Il tutto corredato da analisi, confronti e conclusioni sulle qualità e sui difetti rilevati nell'indagine di questa promettente scommessa scientifica.
Storia del trasferimento wireless di potenza
Le origini della trasmissione di potenza senza fili sono da ricercarsi sin dalla fine del 19esimo secolo grazie all'impegno scientifico di Nikola Tesla. Dal 1899 al 1900 il fisico serbo naturalizzato statunitense portò avanti i suoi esperimenti di trasmissione wireless di potenza nella città di Colorado Springs, negli Stati Uniti d'America, concentrandosi sull'accoppiamento induttivo e il trasferimento attraverso il campo elettrico. Nel 1901 iniziò la costruzione, sull'isola di Long Island Sound, della sua Wardenclyffe Tower Facility (figura in basso). La torre venne usata per la radiodiffusione, le comunicazioni senza fili e la trasmissione wireless di potenza, finché la mancanza di fondi e investimenti la resero non operativa giungendo al suo smantellamento durante la prima guerra mondiale come ferraglia.
Le prospettive della trasmissione di potenza senza fili furono dimenticate per alcune decadi fino all'avvento delle tecnologie basate sulle microonde. Nei tardi anni 70 infatti, riprese l'interesse verso l'idea di trasmettere energia senza fili nella forma di trasmissione su lunga distanza di alte potenze. Nello specifico, ricerca e sviluppo, si focalizzarono sulla trasmissione a terra di energia solare raccolta da satelliti in orbita. La trasmissione attraverso microonde divenne realtà nonostante alcuni limiti quali: la scelta di un opportuno intervallo di frequenze per evitare fenomeni di ionizzazione della ionosfera, la realizzazione di un fascio stretto ad alto guadagno con lobi laterali e posteriori bassi per aumentare l'efficienza e la presenza di rectenne a terra di grandi dimensioni. Nell'immagine sotto viene riportata una rectenna del diametro di 5 Km.
Negli ultimi anni l'attenzione degli sviluppatori si è spostata dal trasferimento su lunghe distanze a quello su brevi distanze. Dal punto di vista tecnologico ciò ha rappresentato un cambio completo nella filosofia implementativa poichè si è passati dal trasmettere energia per mezzo di microonde (frequenze maggiori di 300MHz), a trasmetterla con campi a bassa frequenza sfruttando il campo non radiativo. L'accoppiamento magnetico induttivo e l'acccoppiamento magnetico risonante sono i fenomeni fisici che vengono oggi sfruttati nella realizzazione dei nuovi sistemi WPT. Questi aspetti tecnologici verrano approfonditi nel paragrafo sul funzionamento dei sistemi WPT.
Moderne applicazioni della tecnologia WPT
Benché si possa individuare nella rimozione dei connettori la principale motivazione nell'adottare questa nuova tecnologia, vi sono altri aspetti da tenere presente, come ad esempio:
- La maggiore affidabilità dei dispositivi grazie alla rimozione di connettori o batterie indicati come i componenti più vulnerabili.
- L'eliminazione delle batterie diminuisce i costi ed aumenta la compatibilità con l'ambiente.
- Eliminazione dei rischi di folgorazione legati alla presenza di connettori scoperti o immersi in acqua.
Di seguito vengono elencate e brevemente descritte alcune possibili applicazioni dei [...]
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Salve a tutti.
Sono felice di aver trovato questo articolo che prende in esame una tecnologia che si sta riproponendo negli ultimi anni e che mi vede coinvolto come ricercatore.
Vista la mia esperienza in merito ho pensato potesse far piacere alla community ricevere qualche dettaglio in più e qualche precisazione.
Vado in ordine rispetta alla costruzione dell’articolo.
In primis mi preme sottolineare che l’uso della tecnologia wireless non significa eliminare le batterie, ma, al più ridurne la capacità: cosa comunque da non trascurare in termini di peso e costo.
Non è così corretto, o meglio, non è così pratico utilizzare la teoria delle antenne per descrivere i sistemi di ricarica induttiva per i veicoli. Se consideriamo an esempio il sistema OLEV, che sfrutta tecnologia ad IGBT lavorando alla frequenza di 20 kHz, vediamo subito che la lunghezza d’onda in
in tal caso è di circa 15 km. Considerando le dimensioni delle spire trasmittenti e di quelle riceventi (i pick-up), che sono dell’ordine del metro, vediamo subito che, per la trattazione, conviene usare la classica teoria dei circuiti, decisamente più intuitiva!
Resta naturalmente valida la teoria delle antenne anche in questo caso e sicuramente utile quando parliamo di sistemi a lunga distanza (metri) e di quelli a frequenze elevate dell’ordine dei MHz.
Relativamente alla ricarica dei veicoli elettrici, va notato che anche questi sistemi sono risonanti, ma la loro costruzione differiste dai sistemi qui indicati come accoppiamento risonante.
OLEV ad esempio sfrutta il principio dell’accoppiamenti induttivo tra una lunga spira interrata che funge tra trasmittente e una posta sul veicolo detta ricevente, ma, sia sul lato trasmittente che su quello ricevente, sono inseriti dei condensatori che, secondo la legge riportata nell’articolo,
risuonano alla stessa frequenza ovvero alla frequenza di alimentazione.
L’uso dei condensatori, che rendono il sistema risonante, permette di ottenere, come vantaggi,
la massimizzazione della potenza trasmessa e la compensazione della componente reattiva
del sistema visto dal lato dell’alimentazione.
Per dirlo in modo più semplice, la risonanza sul lato trasmittente si comporta come una sorta di
rifasamento che permette quindi di “far vedere” alla sorgente un carico puramente resistivo.
Questo significa, in termini di controllo e dimensionamento dell’elettronica di potenza, diminuire
le dimensioni dei componenti ed implementare le cosiddette tecniche di commutazione risonanti: si riesce a commutare quando o la tensione o la corrente ai capi degli switch statici (MOSFET, IGBT…) si annulla. Questo significa che, idealmente, si riesce a commutare senza avere dissipazione di potenza ovvero perdite, migliorando l’efficienza del sistema.
In ultimo, per quel che riguarda sempre la sola tecnologia indirizzata alla ricarica dei veicoli elettrici, non è eliminata la presenza di materiali ferromagnetici. Il sistema OLEV ad esempio, usa dei veri e propri binari di ferrite e i pick-up a bordo veicolo sono delle spire avvolte sui dei grossi e pesanti nuclei di ferrite,
Naturalmente, su che l’articolo vuole essere introduttivo e divulgativo su una tecnologia che presenta varie tecniche e copre una svariato spettro di applicazioni.
Spero che, in qualche modo, possa aver aggiunto qualcosa di utile.
Bè per prima cosa grazie per aver letto il mio primo articolo in modo cosi attento.
Come lei ha sottolineato alla fine del commento, l’articolo voleva essere una introduzione all’argomento, ed è stato trattato volutamente con minore rigore scientifico per facilitare la comprensione del più vasto pubblico possibile.
Io non sono un ricercatore in questo campo , ma mi sono occupato di compatibilità EM per alcuni di questi sistemi, comunque sia se ho detto qualche inesattezza le precisazioni sono le benvenute e quindi la ringrazio anche per questo.
Infine mi fà piacere che anche in italia si faccia ricerca su questi sistemi.
Bhé, diciamo che questo argomento è tornato “di moda” negli ultimi anni. Ma ci sono delle potenzialità.
Ancora complimenti per l’articolo.
Complimenti per l’articolo. Molto interessante e ben descritto.
Grazie, troppi complimenti