Il trasferimento di energia senza fili (wireless) è la trasmissione di energia elettrica da un alimentatore elettrico a un carico elettrico senza l’utilizzo di cavi che fanno da conduttore, ma sfruttando le onde elettromagnetiche. In pratica, la tecnologia wireless utilizza un’antenna trasmittente, una serie di ripetitori e una rectenna ricevente (un’antenna rettificatrice in grado di convertire l’energia a microonde in elettricità), ogni componente è come un pannello quadrato montato su un palo: più grande è la superficie del pannello, maggiore è la potenza di trasmissione e la distanza che può coprire. Il sistema attualmente utilizza un sistema a corrente continua a bassa tensione all’interno dei sistemi di antenna.
Come Funziona la Ricarica Wireless
Come tutte le modalità di ricarica, anche quella di tipo wireless necessita di un mezzo per trasferire energia dal caricatore al dispositivo. A differenza della soluzione tradizionale, che utilizza fili contenenti cavi in rame e che sono avvolti da una guaina isolante, nella ricarica wireless viene utilizzato un campo elettromagnetico che scorre attraverso una bobina, consentendo il passaggio di energia senza fili. Il processo che rende tutto ciò possibile prende il nome di induzione elettromagnetica.
Per il funzionamento è necessario che sia la base che il dispositivo abbiano al loro interno una bobina di materiale elettricamente conduttivo. Queste, per garantire la generazione del campo elettromagnetico, devono essere allineate. Il corretto allineamento tra le due bobine è fondamentale per un flusso di energia stabile in quanto questo tipo di ricarica è fortemente influenzata dal disallineamento tra le spire metalliche.
Il principio di base della ricarica wireless è l’induzione elettromagnetica. Due bobine elettriche, una nel caricabatterie e l’altra nel dispositivo da caricare, generano un campo elettromagnetico che permette il trasferimento di energia. Devono, ovviamente, essere poste il più vicine possibile per innescare un accoppiamento induttivo. Questo processo elimina la necessità di cavi e connettori fisici, rendendo la ricarica più comoda e sicura.
La tecnologia induttiva per applicazioni di ricarica a bassa e ad alta potenza sta stimolando la crescita del mercato. Con essa è sufficiente l’avvicinamento di due circuiti per attivare direttamente e automaticamente il processo di ricarica. La potenza elettrica è trasferita attraverso un traferro, dalle dimensioni comprese tra pochi millimetri e decine di centimetri, dipendente anche dalle proporzioni delle bobine e delle tipologie dei circuiti adottati.
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Il caricabatterie wireless invia un segnale dalla propria bobina che viene captato dalla bobina del ricevitore. Nella transizione è normale che una piccola parte di energia venga persa. La bobina ricevente raccoglie il campo magnetico e induce una corrente alternata che, attraverso un raddrizzatore di potenza, giunge alla batteria da caricare.
Tecnologie di Ricarica Wireless
Esistono diverse tecnologie per la ricarica wireless:
- Metodo capacitivo
- Metodo induttivo (Qi)
- Metodo risonante
- Metodo con antenne accoppiate
Ogni tecnologia ha le sue peculiarità e applicazioni, rendendo la ricarica wireless versatile e adatta a diverse esigenze.
Vantaggi e Svantaggi della Ricarica Wireless
Pro
I sistemi di ricarica Wireless garantiscono tanti benefici sotto diversi punti di vista, partendo dal prolungamento della durata dei dispositivi, soprattutto quelli che richiedono numerosi cicli di ricarica. Uno dei vantaggi più evidenti è la possibilità di poter ricaricare più dispositivi contemporaneamente. È sufficiente, infatti, disporli opportunamente sul piano magnetico per catturare correttamente l’energia necessaria.
Il sistema di ricarica wireless è estremamente più sicuro rispetto all’utilizzo dei cavi, eliminando di fatto il rischio di sovratensioni o problemi elettrici o di usura, tipico dei connettori e il rischio di surriscaldamento e di danni alla batteria. La maggior parte dei caricatori wireless è intelligente e rileva lo stato della batteria, interrompendo automaticamente la ricarica e risparmiando energia. La ricarica wireless, inoltre, è completamente indipendente dal marchio del carico.
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Contro
Solitamente, infatti, risulta abbastanza difficile utilizzare un dispositivo mentre è in stato di carica. E questo lo si può riscontrare sia per le piccole apparecchiature che per le autovetture. Un altro piccolo problema è rappresentato dalle dimensioni dei pad di ricarica, ben più ingombranti dei tradizionali alimentatori cablati. Alcune aziende stanno studiando diverse soluzioni per ovviare a ciò.
La ricarica wireless è generalmente meno efficiente e, quindi, meno veloce rispetto a quella tradizionale. Nel processo viene generato anche del calore che si traduce in perdite di energia. Ci sono alcuni caricabatterie wireless che non possono raggiungere lo stesso livello di efficienza rispetto a quelli tradizionali e il calore generato è maggiore relativamente ai metodi di ricarica convenzionali.
Anche i costi, ovviamente, sono lievitati. La ricarica wireless richiede, al momento, un investimento maggiore. Un semplice cavo bipolare, seppur di elevata sezione e alta qualità, è più economico e costa meno di un intero sistema di energia trasmittente e ricevente.
Ambiti di Applicazione della Wireless Power Transmission
La WPT, grazie alla sua adattabilità, trova applicazione in ambiti differenti tra i quali:
- Automobilistico: offre la possibilità di caricare veicoli elettrici sia in modo statico che dinamico, ottimizzando le operazioni di ricarica (i.e. scooter sharing);
- Aerospaziale: permette di caricare robot lunari, raccogliere la luce solare nello spazio e convertirla in energia elettrica trasmettendola alla terra;
- Distribuzione: garantisce la trasmissione di energia in aree remote e difficili da raggiungere con i cavi;
- Industria: consente la ricarica autonoma di robot e sensori IoT riducendo tempi di fermo e costi di manutenzione, ottimizzando la gestione delle aree di lavoro;
- Smart home: consente di caricare contemporaneamente più dispositivi ed elettrodomestici;
- Medico: permette di caricare biosensori e dispositivi impiantati consentendo la raccolta dei dati dei pazienti senza necessità di ricorrere ad interventi chirurgici.
Sfide Tecnologiche
Attualmente la trasmissione di energia senza fili può essere realizzata attraverso diverse tecnologie, che variano in base al raggio di azione e all’applicazione specifica:
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- Ricarica a corto raggio
- Trasmissione a lungo raggio
Tra le tecnologie attualmente disponibili sul mercato, non esiste una tecnologia ritenuta “migliore” rispetto alle altre, a causa delle specificità dei singoli ambiti di applicazione. Ogni tecnologia ha i suoi punti di forza e di debolezza, che devono essere valutati attentamente, al fine di individuare quella più adatta alle specifiche esigenze.
Tabella: Previsioni di Mercato per la Wireless Power Transmission
| Anno | Valore di Mercato (miliardi di dollari) |
|---|---|
| Oggi | 9.4 |
| 2029 (Previsto) | 32 |
Sicurezza e Campi Elettromagnetici
La WPT utilizza campi magnetici ad alta frequenza che sono una fonte di radiazioni elettromagnetiche, i cui effetti sono ancora sotto esame. Per ciò che concerne la sicurezza, gli standard sono ancora in via di definizione, e la sfida importante sarà arrivare a regole e criteri comuni ed universali così come avviene per altri settori.
In ogni caso, per garantire tecnologie sicure, sono state sviluppate soluzioni che permettono lo spegnimento del sistema nel momento in cui le onde, durante la trasmissione, vengono attraversate da un corpo. Per supportare le aziende nella gestione di tali aspetti, esistono standard e linee guida di riferimento, in particolare per soluzioni a lungo raggio, oggi maggiormente in commercio.
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