«Мы хотели бы, чтобы электромобили могли заряжаться на ходу», — сказал Хуррам Африди, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и энергетики Боулдера.За последние два года Африди и его коллеги разработали доказательную концепцию беспроводной передачи энергии, которая передает электрическую энергию через электрические поля на очень высоких частотах. Возможность передавать большое количество энергии на большее физическое расстояние к движущимся платформам с недорогих зарядных пластин может однажды позволить технологии выйти за пределы небольшой бытовой электроники, такой как сотовые телефоны, и начать использовать более крупные вещи, такие как автомобили.
В настоящее время большинство электромобилей могут проехать от 100 до 250 миль без подзарядки, в зависимости от марки и модели. Но зарядных станций по-прежнему мало на большей части территории страны, что требует от водителей стратегического подхода к поездкам. По словам Африди, эта проблема может быть решена с помощью этой технологии.«На шоссе у вас может быть одна полоса, предназначенная для зарядки», — сказал Африди, добавив, что транспортное средство может просто перемещаться по этой полосе, когда ему требуется повышение энергии, и в результате может нести меньшую бортовую батарею, что снижает общую стоимость автомобиль.
Сегодня некоторые небольшие потребительские устройства поддерживают беспроводную передачу энергии, которая позволяет объекту потреблять энергию, лежа на специально разработанной площадке, подключенной к розетке.Воспроизвести эту способность для движущегося автомобиля намного сложнее, поскольку требуется значительно большая мощность, передаваемая на большее физическое расстояние от проезжей части к транспортному средству. Автомобиль, движущийся на скоростной автомагистрали, не будет задерживаться на одной зарядной площадке более доли секунды, поэтому для обеспечения непрерывной зарядки эти площадки необходимо размещать каждые несколько метров.
Чтобы решить проблему в движении, Африди пришлось по-другому думать о методологии. Для зарядки смартфона требуется всего пять ватт энергии.
Ноутбуку может потребоваться 100 Вт. Но электромобиль в движении требует десятков киловатт энергии, что на два порядка больше.
На сегодняшний день большинство исследований в области технологий беспроводной связи сосредоточено на передаче энергии через магнитные поля — так называемый индуктивный подход. Магнитные поля с уровнями силы, подходящими для передачи значительной энергии, генерировать легче, чем эквивалентные электрические поля.
Однако магнитные поля движутся по петлеобразной схеме, что требует использования хрупких ферритов с потерями для поддержания направленности полей и энергии, что приводит к дорогостоящей системе. Электрические поля, напротив, естественно распространяются по относительно прямым линиям.
Африди хотел использовать более направленную природу электрических полей для своей инновации и существенно снизить стоимость системы.Проблема использования электрических полей для беспроводной передачи энергии — емкостной подход — заключается в том, что большой воздушный зазор между проезжей частью и электромобилем приводит к очень малой емкости, через которую должна передаваться энергия.
«Все говорили, что невозможно передать столько энергии через такую ??маленькую емкость», — сказал Африди. «Но мы подумали: что, если мы увеличим частоту электрических полей?»В своей лаборатории Африди и его ученики установили металлические пластины параллельно друг другу на расстоянии 12 сантиметров. Две нижние пластины представляют собой передающие пластины в проезжей части, а две верхние пластины представляют собой приемные пластины внутри транспортного средства.
Когда Африди щелкает выключателем, энергия передается от нижних пластин. Мгновенно загорается лампочка над верхними пластинами — передача энергии без проводов.
Устройство постоянно улучшалось до такой степени, что оно могло передавать киловатты энергии на частотах мегагерцового масштаба.«Когда мы преодолели барьер в тысячу ватт, послав энергию через 12-сантиметровый промежуток, мы были просто в восторге», — сказал Африди. «В тот день было много« дай пять »».
Африди планирует продолжить разработку прототипа и масштабировать его для потенциальных реальных приложений. Он получил средства от отдела ARPA-E Министерства энергетики и поддержку от Национального научного фонда за карьеру. Недавний посевной грант от Colorado Energy Research Collaboratory, предоставленный Африди в партнерстве с Государственным университетом Колорадо и NREL, позволит ему изучить осуществимость и оптимизацию движущейся системы.
В ближайшем будущем Африди предвидит, что технология будет адаптирована для использования на складах. Автоматизированные складские роботы и вилочные погрузчики, например, могут перемещаться по зонам с возможностью беспроводной передачи энергии и никогда не должны быть подключены к электросети, что сокращает время простоя и повышает производительность. Технология также может быть адаптирована для использования в транспортных проектах следующего поколения, таких как Hyperloop, предлагаемая система, которая может доставить пассажиров из Лос-Анджелеса в Сан-Франциско за 30 минут.
Появление электрических магистралей все еще далеко за горизонтом и неизбежно столкнется со многими препятствиями, как технологическими, так и социальными. «Как ученый, вам бросают вызов вещи, которые люди говорят, что вам невозможно сделать», — сказал Африди.