نقل الطاقة لاسلكياً

اسم الكاتب (المؤلف) : أ.م.د. محمد حميد البغدادي

الكلية: كلية التربية للعلوم الصرفة

إن مصطلح نقل القدرة لاسلكياً (WPT)، نقل الطاقة لاسلكياً (WET)، هو عملية نقل الطاقة كهرومغناطيسياً أو نقل الطاقة الكهربائية من غير استخدام أسلاك توصيل (1). ففي الوقت الحاضر نحن نحصل على الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل محتلف الأجهزه التي نستخدمها في بيوتنا وفي أماكن عملنا من خلال شبكة كهربائية معقدة لانرى منها إلا نقطة كهربائية جدارية يتم ربط سلك الجهاز إليها، ومن وراء تلك النقطة الكهربائية توجد منظومة هائلة من الأسلاك والمحولات وأبراج النقل ومصادر التوليد الكهربائي (المولدات) (2).
إن فكرة نقل الطاقة الكهربائية لاسلكياً للطاقة الكهربائية من المؤمل أن تستغني عن هذه المنظومة من الأسلاك والحصول على الطاقة الكهربائياً لاسلكياً (بوساطة الهواء أو سطح موصل ما) (2). لقد بدأت فكرة استخدام الطاقة الكهربائية اللاسلكية تغزو عالم التكنولوجيا الحديث، وقد تنبأ أحد الباحثين بإمكانية توقف أجهزة الهواتف والكمبيوترات المحمولة عن استخدام الطاقة الكهربائية السلكية (المنقولة بواسطة الأسلاك) خلال فترة قصيرة (سنة واحدة فقط) (3). يقول إريك گيلر، كبير الخبراء التنفيذيين الإداريين بشركة وي تريسيتي: “إن شركته قادرة على إنارة لمبات المصابيح الكهربائية، باستخدام الكهرباء اللاسلكية والتي تتحرك وتبث لمسافة عدة أقدام من مقبس الكهرباء”. وأوضح گيلر، والذي خرجت شركته من المجموعات البحثية الخاصة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الأمريكي الشهير، ” بأن الكهرباء اللاسلكية يمكنها أن تنهي حاجة الناس إلى الأسلاك والبطاريات”. وأكد غيلر “أن هذا الأمر سيصبح طبيعياً تماماً خلال خمس سنوات فقط”، وأضاف “أن هذا الأمر يجعل السيارات التي تعمل على الكهرباء أكثر جاذبية للمستهلكين، لأنها ببساطة ممكن أن تملأ نفسها بالطاقة عبر الدخول إلى مرآب مزود بحصيرة تبث طاقة لاسلكية. ويحاول فريق گيلر، التابع لمعهد مساتشوستس للتكنولوجيا، التوصل إلى أفضل النتائج من خلال التوصل إلى تصنيع أجهزة تبث أكبر قدر من الطاقة ولأطول مسافة ممكنة.
وأشار “إلى أنه للكهرباء اللاسلكية الكثير من المنافع للبيئة، حيث أن الشركات تصنع أكثر من 40 مليار بطارية قابلة للتخلص منها سنويا، مما قد يسبب الكثير من إهدار الطاقة والتلوث وهو ما سوف تنهيه التقنية الجديدة، مؤكدا أن هذا النوع من التقنية سيخرج إلى العلن خلال عام”.
إن فكرة التزود بالطاقة الكهربائية لاسلكياً ليست بالفكرة الجديدة، فلقد بدأت هذه الفكرة تدور بأذهان الخبراء قبل أكثر من قرن، حيث قامت شركة “نيكولا تسلا” بالقيام بمحاولات لنقل الطاقة الكهربائية عبر الهواء خلال العقد الأخير من القرن التاسع عشر، وهذا مادفع العلماء إلى السعي الحثيث لجعل تقنية نقل الطاقة الكهربائية اللاسلكية آمنة وأقتصادية بحيث يمكن أستبدال شبطات الطاقة الكهربائية السلكية باللاسلكيه (3).

تاريخ نقل الطاقة الكهربائية اللاسلكية
1820: أندري ماري أمبير وضع قانون أمبير الذي ينص على أن التيار الكهربائي المار في موصل ما يولد مجالاَ مغناطيسياَ حول الموصل.
1831: مايكل فاراداي وضع قانون فاراداي للحث, أحد القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية.
1864: جايمس كلارك ماكسويل وضع نموذجاَ رياضياَ لسلوك الإشعاعات الكهرومغناطيسية جامعاَ بذلك المشاهدات والتجارب والقوانين السابقة المتعلقة بالكهرباء و المغناطيسية و البصريات في نظرية واحدة.
1888: هاينريش رودولف هرتز يؤكد وجود الإشعاعات الكهرومغناطيسية. حيث أعتبر جهاز توليد الإشعاعات الكهرومغناطيسية الذي صنعه كأول جهاز أرسال راديوي.
1891: نيكولا تسلا يقوم بتطوير جهاز هرتز.
1893: نيكولا تسلا يؤدي عرضاَ يقوم فيه بإضاءة مجموعة من مصابيح الإضاءة لاسلكياَ.
1894: نيكولا تسلا يضيء لاسلكياَ مجموعة من الأنابيب المفرغة باستخدام الحث الكهروديناميكي. يضيء Nikola Tesla لاسلكيًا المصابيح المتوهجة أحادية الطرف في مختبر 35 South Fifth Avenue ، وبعد ذلك في مختبر 46 E. Houston Street في مدينة نيويورك عن طريق “الحث الكهروديناميكي” ، أي الاقتران الحثي اللاسلكي الرنيني(4، 5، 6). يشعل جاغديش شاندرا بوز (هندي) البارود ويقرع جرسًا على مسافة باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية ، موضحًا أنه يمكن إرسال إشارات الاتصالات دون استخدام الأسلاك(7، 8).
1895 : ينقل Jagdish Chandra Bose الإشارات عبر مسافة ميل تقريبًا(7، 8).
1896 : يرسل نيكولا تيسلا إشارات على مسافة 48 كيلو مترًا تقريبًا (30 ميلًا)(9).
1897 : يستخدم Guglielmo Marconi جهاز إرسال لاسلكي بتردد منخفض للغاية لإرسال إشارات شفرة مورس على مسافة حوالي 6 كيلومترات. قدم نيكولا تيسلا أولى طلبات براءات الاختراع الخاصة به التي تتناول الإرسال اللاسلكي
1899 : كتب نيكولا تيسلا في كولورادو سبرينغز ، “أن دونية طريقة الحث ستبدو هائلة مقارنة بالشحنة المضطربة للطريقة الأرضية والجوية”(10).
1900 : فشل Guglielmo Marconi في الحصول على براءة اختراع للإذاعة في الولايات المتحدة.
1901 : ينقل Guglielmo Marconi إشارات عبر المحيط الأطلسي باستخدام جهاز Tesla.
1902 : نيكولا تيسلا ضد ريجينالد فيسيندين – رقم تداخل براءات الاختراع الأمريكية رقم 21701 ، نظام التشوير (لاسلكي) ؛ الإضاءة الانتقائية للمصابيح المتوهجة ، وانتشار مجال التردد والوقت للاتصالات ، والبوابات المنطقية الإلكترونية بشكل عام(11).
1904 : في معرض سانت لويس العالمي ، يتم تقديم جائزة لمحاولة ناجحة لقيادة محرك جوي بقوة 0.1 حصان (75 واط) عن طريق الطاقة المنقولة عبر الفضاء على مسافة 100 قدم (30 م) على الأقل(12).
1917 :تم هدم برج Wardenclyffe في Tesla.
Shintaro Uda : 1926 و Hidetsugu Yagi ينشران ورقتهما الأولى على “مصفوفة الاتجاه عالية الكسب المضبوطة” [10] المعروفة باسم هوائي ياغي(13).
1961 : ينشر William C.Brown مقالاً يستكشف إمكانيات نقل طاقة الميكروويف(14، 15).
1964 : عرض ويليام سي براون على قناة سي بي إس نيوز مع والتر كرونكايت نموذج مروحية تعمل بالميكروويف تلقت كل الطاقة اللازمة للطيران من حزمة موجات الميكروويف. بين عامي 1969 و 1975 كان براون المدير الفني لبرنامج JPL Raytheon الذي يبث 30 كيلوواط لمسافة ميل واحد بكفاءة 84٪.
1968 : يقترح بيتر جلاسر نقل الطاقة الشمسية الملتقطة في الفضاء لاسلكيًا باستخدام تقنية Powerbeaming(16، 17).
1971 : يطور البروفيسور دون أوتو عربة صغيرة تعمل بالحث في جامعة أوكلاند في نيوزيلندا.
1973 : تم عرض أول نظام RFID سلبي في العالم في مختبر لوس ألاموس الوطني(18).
1975 : يقوم مجمع غولدستون ديب سبيس للاتصالات بإجراء تجارب بعشرات الكيلوات(19، 20، 21).
1988 : تقوم مجموعة إلكترونيات الطاقة بقيادة البروفيسور جون بويز في جامعة أوكلاند في نيوزيلندا بتطوير عاكس باستخدام مواد هندسية جديدة وإلكترونيات طاقة واستنتجت أن نقل الطاقة الاستقرائي يجب أن يكون قابلاً للتحقيق. تم بناء أول نموذج أولي لمزود طاقة بدون تلامس. أوكلاند Uniservices ، الشركة التجارية لجامعة أوكلاند ، براءة اختراع التكنولوجيا.
1989 : تشرك شركة Daifuku اليابانية ، أوكلاند Uniservices Ltd لتطوير التكنولوجيا الخاصة بمصانع تجميع السيارات ومناولة المواد ، مما يوفر متطلبات تقنية صعبة بما في ذلك تعدد المركبات.
1990 : يطور فريق البروفيسور جون بويز تقنية جديدة تمكن العديد من المركبات من العمل على نفس حلقة الطاقة الحثية وتوفير تحكم مستقل لكل مركبة. أوكلاند UniServices براءات الاختراع على التكنولوجيا.
1996 : تقوم أوكلاند Uniservices بتطوير نظام طاقة للحافلات الكهربائية باستخدام نقل الطاقة الاستقرائي لشحن (30-60 كيلو وات) لبدء التنفيذ في نيوزيلندا. قام الأستاذ جون بويز بتشعيل أول حافلة تجارية IPT في العالم في Whakarewarewa ، في نيوزيلندا.
2004 : يستخدم تحويل الطاقة الاستقرائي 90 في المائة من صناعة الغرف النظيفة البالغة قيمتها مليار دولار أمريكي لمعدات مناولة المواد في صناعة أشباه الموصلات وشاشات الكريستال السائل وشاشات البلازما.
2005 : يعمل فريق البروفيسور بويز في جامعة أوكلاند على تحسين أنظمة IPT للطرق السريعة ثلاثية المراحل وأنظمة الالتقاط التي تسمح بنقل الطاقة إلى المركبات المتحركة في المختبر.
2007: فريق بحثي في معهد مساتشوستس للتقنية نجح في إضاءة مصباح بقدرة 60 وات لاسلكياَ على مسافة مترين وبفاعلية تصل إلى 40%. تؤكد مجموعة أبحاث الفيزياء ، بقيادة البروفيسور مارين سولجيتش ، في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) عمل البروفيسور جون بويز في وقت سابق (1980) عن طريق تشغيل مصباح كهربائي 60 وات بكفاءة 40 ٪ على مسافة 2 متر (6.6 قدم) باستخدام اثنين 60 لفائف قطرها سم(22).
2008 : تقدم بومباردييه منتج نقل لاسلكي جديد PRIMOVE ، وهو نظام طاقة للاستخدام في الترام وعربات السكك الحديدية الخفيفة. قام المصمم الصناعي ثان تران ، بجامعة برونيل ، بصنع لمبة إضاءة لاسلكية مدعومة بمصباح LED عالي الكفاءة 3 وات(23). تعيد إنتل إنتاج تطبيق نيكولا تيسلا عام 1894 وتجارب مجموعة البروفيسور جون بويز عام 1988 عن طريق تشغيل مصباح كهربائي قريب لاسلكيًا بكفاءة 75٪.
2009 : أعلن اتحاد من الشركات المهتمة يسمى “اتحاد الطاقة اللاسلكية” عن قرب الانتهاء من وضع معيار صناعي جديد للشحن الاستقرائي منخفض الطاقة(24).

تقسم تقنيات نقل القدرة لاسلكياً إلى فئتين: غير إشعاعية وإشعاعية. التقنيات غير الإشعاعية ذات مجال النقل القريب ، يكون من الممكن نقل الطاقة الكهربائية عبر الهواء ولمسافات قصيرة بوساطة الاقتران الحثي للحقول المغناطيسية بين الملفات، أو بوساطة الأقتران السعوي للمجالات الكهربائية بين الأقطاب المعدنية. إن التقنية اللاسلكية الأكثر أستخداما في التكنلوجيا الحديثة وعلى نطاق واسع هي الاقتران الحثي. وتتمثل تطبيقاتها في شحن الموبايل وفرش الأسنان التي تعمل بالبطارية تقنية وتحديد الهوية بموجات الراديو (علامات (RFID والشحن اللاسلكي المستمر لبعض الأجهزة الطبية والتي تزرع داخل جسم المريض مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب الاصطناعية. في تقنيات الإشعاعي ذات النقل مجال النقل البعيد، يتم نقل الطاقة الكهربائية بوساطة أشعة كهرمغنطيسية، مثل الموجات ذات الطول الموجي القصير (الموجات الدقيقة) أو أشعة الليزر. تنقل الطاقة الكهربائية حسب هذه التقنية لمسافات أطول بشرط أن توجه الأشعة الناقله للمستقبِل. تعتبر الطائرات بدون طيار والأقمار الصناعية من التطبيقات المقترحة لهذه التقنية (1). وفي نظام نقل الطاقة اللاسلكي، يجهز مصدر طاقي جهاز إرسال يقوم بتوليد مجال كهرومغناطيسي متغير مع الزمن، والذي بدوره يقوم بنقل الطاقة خلال الفضاء إلى جهاز استقبال (مستقبل). المستقبل هو جهاز يستخرج الطاقة من المجال الكهرومغناطيسي ويزودنا بالطاقة الكهربائية عبر حمل مربوط معه. تعتبر فكرة نقل الطاقة لاسلكياً مفيدًا لشحن أو تشغيل الأجهزة والمعدات الكهربائية عندما تكون الأسلاك المرتبطة بها غير ملائمة أو متوفره.
إن الحقول الكهربائية والمغناطيسية يتم إنشاء بوساطة الجسيمات المشحونة، حيث تولد الشحنة الثابتة حقل إلكتروستاتيكي ساكن في الفراغ المحيط بها (تيار مباشر (DC. يحتوي الحقل الألكتروستاتيكي على طاقة، ولكنه غير قادر على حمل الطاقة لأنه ثابت. بينما الحقول المتغيرة مع الزمن يمكنها أن تحمل الطاقة. تخلق المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة مع الزمن حقول متذبذبه أو متغيره مع الزمن، هذه التذبذب يمثل التيار المتناوب الذي يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة الكهربائية. ولا يمكن تحقيق كفاءة عالية في عملية الاقتران الاستقرائي العادي إلا عندما تكون الملفات قريبة جداً من بعضها، بينما في عملية الرنين أو الاقتران الاستقرائي الرنيني يؤدي إلى زيادة الترابط بين الهوائيات بشكل كبير، مما يقود إلى إنتقال الطاقة بكفاءة عبر الفضاء وإلى مسافات أبعد. كما إن الدوائر الرنانة تتفاعل مع بعضها البعض بقوة أكبر بكثير مما تتفاعل به مع الأجسام الأخرى التي لا يمكن إهمالها بسبب فقدان الطاقة بسبب الامتصاص.
يتم في الوقت الحاضر دمج تقنية الرنين في أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية الحديثة، إذ تعتبر تغطية الطاقة اللاسلكية للمنطقة إحدى الاحتمالات المرجوه لهذه التقنية. فقد يمكن لملف موجود داحل غرفه (في حائط أو سقف الغرفة) من تشغيل المصابيح الكهربائية والأجهزة المحمولة لاسلكيًا في أي نقطة داخل الغرفة وبكفاءة مقبوله. إن هذه التقنية لها فائدة بيئية واقتصادية كبيرة فتشغيل الأجهزة التي تتطلب طاقة واطئة لاسلكياً (مثل الساعات وأجهزة الراديو ومشغلات الموسيقى وأجهزة التحكم عن بعد) هي تقليل أستهلاك البطاريات والتي تقدر بـ 6 مليارات بطارية يتم أستهلاكها كل عام، حيث تعتبر مصدر كبير للنفايات السامة وإحدى ملوثات المياه الجوفية. تعتبر موجات الضوء المرئي (مثل أشعة الليزر) والميكروويف من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي الأكثر ملائمة لنقل الطاقة الكهربائبية لاساكياً، حيث يمكن أن تكون قدرة إرسال الموجات الميكروية أكثر كفاءة وأقل عرضة للتوهين الناتج عن وجود الغبار أو بخار الماء في الجو. وفي حالة الإشعاع الكهرومغناطيسي الأقرب إلى المنطقة الطيف المرئية (10µm – 10nm)، يمكن نقل الطاقة عن طريق تحويلها إلى شعاع ليزر يتم توجيهه إلى خلية فولطائية ضوئية والتي يمكنها تحويله إلى طاقة كهربائية، تعرف هذه العملية باسم “قوة البث” لأن الطاقة تبث من جهاز للبث وتستقبل الطاقة من جهاز أستقبال.
من مزايا نقل الطاقة لاسلكياً مقارنة بالطريقة السلكية :
الحجم الصغير.
عدم وجد تداخل بين لترددات الراديوية وتددات الهواتف المحمولة.
التحكم في نقطة وصول الطاقة : فقط أجهزة الاستقبال التي تتعرض لها طاقة الاستقبال الليزرية.
العيوب :
الشعاع الليزري خطير جداً، حيث يمكن لمستويات الطاقة المنخفضة منه أن تعمى البشر والحيوانات الأخرى، أما مستويات الطاقة العالية فيمكنها أن تقتل.
التحويل من الضوء إلى الكهرباء محدود، فالخلايا الكهروضوئية تحقق كفاءة تتراوح بين 40٪ و 50٪. (كفاءة تحويل ضوء الليزر إلى كهرباء أعلى بكثير من تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء).
إن وجود أمتصاص للطاقة في الغلاف الجوي ، والامتصاص والانتشار للطاقة من السحب، الضباب، والمطر، يسبب خسائر تصل إلى 100٪. وهذا يتطلب خط مباشر للإرسال مع الهدف. (بدلاً من أن يتم بثها مباشرة على جهاز الاستقبال ، يمكن أيضًا توجيه ضوء الليزر بواسطة ألياف بصرية) (1).
المراجع :
https://www.hisour.com/ar/wireless-power-transfer-39881/
https://www.aljazeera.net/news/scienceandtechnology/2014/12/28/%D8%A7%D9%84%D9%83%D9%87%D8%B1%D8%A8%D8%A7%D8%A1-%D8%A7%D9%84%D9%84%D8%A7%D8%B3%D9%84%D9%83%D9%8A%D8%A9-%D9%86%D8%AD%D9%88-%D9%85%D8%B3%D8%AA%D9%82%D8%A8%D9%84-%D9%88%D8%A7%D8%B9%D8%AF
https://www.marefa.org/%D9%86%D9%82%D9%84_%D9%84%D8%A7%D8%B3%D9%84%D9%83%D9%8A_%D9%84%D9%84%D8%B7%D8%A7%D9%82%D8%A9
“Experiments with Alternating Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891”. 1891-06-20.
“Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address,’ London, February 1892”. 1892-02-00.Check date values in: |date=(help).
“On Light and Other High Frequency Phenomena, ‘Franklin Institute,’ Philadelphia, February 1893, and National Electric Light Association, St. Louis, March 1893″”. 1893-03-00. Check date values in: |date= (help).
“The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research”. tuc.nrao.edu.
“Jagadish Chandra Bose”, ieeeghn.org.
Nikola Tesla On His Work with Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 26-29.
June 5, 1899, NIKOLA TESLACOLORADO SPRINGS NOTES1899-1900, Nolit, 1978.
Nikola Tesla: Guided Weapons & Computer Technology.
The Electrician (London), 1904.
“Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past, Hidetsugu Yagi””. Ieee.cincinnati.fuse.net. Retrieved 2009-06-04.
A survey of the elements of power Transmission by microwave beam, in 1961 IRE Int. Conf. Rec., vol.9, part 3, pp.93-105.
“IEEE Microwave Theory and Techniques, Bill Brown’s Distinguished Career”. Mtt.org. Retrieved 2009-06-04.
“Power from the Sun: Its Future,” Science Vol. 162, pp. 957-961 (1968).
“Solar Power Satellite patent”. Patft.uspto.gov. Retrieved 2009-06-04.
History of RFID.
“Space Solar Energy Initiative”. Space Island Group. Retrieved 2009-06-04.
Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology.
Brown., W. C. (1984). “The History of Power Transmission by Radio Waves”. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on. 32 (Volume: 32, Issue: 9 On page(s): 1230- 1242 + ISSN: 0018-9480): 1230. doi:10.1109/TMTT.1984.1132833. Unknown parameter |month= ignored (help).
مارين سولياتشيتش، نقل الطاقة لاسلكياَ.
“Bombardier PRIMOVE Technology”. Bombardier.com. Retrieved 2009-06-04.
“Intel imagines wireless power for your laptop”. TG Daily. 2008-08-22. Retrieved 2009-06-04.
“wireless electricity specification nearing completion”. PCWorld. 2009-08-18. Retrieved 2009-08-21.