როგორ მუშაობს უსადენო დამუხტვის მოწობილობები

 (ნაწილი I)

(EEE Communications Surveys & Tutorials ჟურნალის სტატიის მიხედვით)

როგორ გავერკვიოთ ამა თუ იმ უსადენო დამუხტვის სისტემების მუშაობის პრინციპებში, მახასიათებლებში, განსხვავებებში, პრობლემურ საკითხებში?

გთავაზობთ შემდეგ მასალას:

ასევე, განვიხილავთ თუ რა სტადიაზე იმყოფება უსადენო დასამუხტი მოწყობილობების განვითარება, დავწერთ ასევე ტექნიკურ მახასიათებლებზე და გაზომვებზე, იმისთვის, რომ გავარკვიოთ, რას წარმოადგენს უსადენო დამტენი, რითი განსხვავდება ერთმანეთისაგან და როგორ ვითარდებიან.

უსადენო დამუხტვის ტექნოლოგია:

ნაწილი 1. თეორიული საფუძვლები და აპარატული რეალიზაციის საშუალებები:

(Lu Xiao, Wang Ping, Niyato Dusit, Dong In Kim, Zhu Ham)

უსადენო დამუხტვცის ტექნოლოგია-ენერგიის გადაცემა მოწობილობის ავტონომიური მუშაობის ელემენტის მუხტის შევსებისათვის სადენის გამოყენების გარეშე. ამ სფეროში განხორციელებულმა პროგრესმა წარმოქმნა ისეთი კომერციული პროდუქტი, რომელთა გამოყენებით  საშუალება მოგვეცა გამოვიყენოთ აკუმულატორებზე მომუშავე მოწყობილობების მუხტის შევსება . მაგრამ, ამ ტექნოლოგიების დანერგვამ პარალელურად მიგვიყვანა რთული კითხვების წარმოქმნამდე, რომლებიც ეხება უსადენო დატენვის მოწყობილობების და არსებული უსადენო კავშირის სისტემების ასევე ტრადიციულ (სადენიან) სისტემებთან და ელ.კვების მართვის სისტემების ურთიერთქმედებას.

უსადენო დამუხტვა, ასევე ცნობილია, როგორც სადენის გარეშე (უსადენო) ენერგიის გადაცემა, ეწოება ტექნოლოგიას, რომელიც უზრუნველყოფს ელექტრომაგნიტური ენერგიის გადაცემას ჰაერში, გადამცემიდან მიმღებამდე, სადენების შეერთების გარეშე. იგი გამოყენებადია სხვადასხვა ტიპის მოწყობილობათათვის, მცირე სიმძლავრის მქონე ელექტრო კბილის ჯაგრისიდან -ელექტრომობილებამდე  და რა თქმა უნდა დიდი უპირატესობა აქვს კომფორტული გამოყენების კუთხით. დღესდღეობით ეს ტექნოლოგია, რომელიც უახლეს წარსულში მხოლოდ თეორიას წარმოადგენდა მრავალს სფეროში გამოიყენება, და მისი გამოყენების არეალი დღითი-დღე იზრდება. განსაკუთრებული წარმატებით ეს ტექნოლოგია ვითარდება მობილური მოწყობილობების წარმოებაში.   2014 წელსამ სფეროს უთუო ლიდერებმა ლიდერებმა Samsung, Apple, და Huawei განაცხადეს ახალი თაობის მოწყობილობების შექმნის შესახებ, რომლებსაც გააჩნია უსადენო დამუხტვის საშუალება. IMS Research -ის პროგნოზების მიხედვით, 2020 წლის ბოლოსთვის მიაღწევს 15 მილიონ ერთეულს.

სადენიანი დამუხტვის მოწყობილობასთან შედარებით უსადენო დამუხტვის მოწყობილობებს რიგი უპირატესობა გააჩნია:

1. კომპფორტულია მომხმარებლისთვის, რომელსაც აღარ დასწირდება სხვადასხვა მოწყობილობისთვის დასამუხი კაბელების სიმრავლე. თუ მწარმოებლები მიაღწევენ იმას, რომ ნებისმიერი მოწყობილობისთვის შესაძლებელი იქნება ერთიანი სამუხტი მოწყობილობის სტანდარტის შექმნა, უსადენო მოწყობილობის გამოყენებას კიდევ უფრო მეტი კომფორტი ექნება.
2. მოწყობილობების ზომების შემცირება, უფრო მცირე ტევადობის აკუმულატორების ხარჯზე, ან საერთოდ მათი უგულებელყოფა.
3. მოწყობილობების დაცვის ხარისხის მომატება (მაგ: წყალ და მტვერ-გაუმტარებლობა), იმ შემთხვევაში, თუკი სადენიანი დატენვა და სადენის მეშვეობით მონაცემთა გადაცემა უგულებელყოფილი იქნება.
4. მოწყობილობების გამოყენების საშუალების გაფართოება, განსაკუთრებით იმ შემთხვევაში, როდესაც სადენის არსებობა არ არის მიზანშეწონილი ან ბატარეების (აკუმულატორების) დამუხტვა შეუძლებელია -მაგ: იმპლატანტებში.
5. შესაძლებლობა განახორციელოს დამუხტვა მოთხოვნისდაგვარად, რაც უზრუნველყოფს აკუმულატორის მუშაობის ხანგძლივობას და შეამცირებს ელექტროენერგიის ხარჯებს.

მაგრამ, უსადენო დამუხტვის მოწყობილობას გააჩნია უფრო მაღალი რეალიზაციის ფასი ტრადიციულ მეთოდთან შედარებით. დამმუხტველი სადენის მაგივრად უნდა იყოს დამონტაჟებული უსადენო დამტენი მოწყობილობა, ხოლო თვით გაჯეტში ჩაშენებული უნდა იყოს უსადენო ენერგიის მიმღები. გარდა ამისა უსადენო დამუხტვის მოწყობილობებს ახასიათებს სითბოს გამოყოფა მუშაობის დროს, რაც მოითხოვს უფრო ძვირადღირებული და ხარისხიან მასალას.

უსადენო დამუხტვის ტექნოლოგია ვითარდება ორი ძირითადი მიმართულებით. პირველ შემთხვევაში გამოიყენება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ენერგია რადიოსიხშირული ან და მიკროტალღური დიაპაზონიდან. უსაფრთხოების პირობებიდან გამომდინარე, ასეთი მეთოდი შესაძლებელია გამოყენებული იყოს მხოლოდ მცირე სიმძლავრის მქონე მოწყობილობათათვის, მაგალითად ყველა მიმართულებით გავრცელებული რადიოტალღური გამოსხივება აღიქმება მხოლოდ 10 მვტ(მილივატი) სიმძლავრის  მქონე სენსორების მიერ.

ალტერნატიული გზები ელექტრომაგნიტური ველის ენერგიის გადაცემისათვის ( რომელსაც გამოასხივებს კოჭა-გადამცემი და მიიღებს კოჭა-მიმღები). ვინაიდან მაგნიტური ველის დახშობა უფრო ძლიერია, ვიდრე ელექტრული ველის, მოცემული საშუალება მისაღებია მხოლოდ მცირე მანძილზე მყოფი მოყწობილობის დამუხტვისთვის, მაგრამ ეს მეთოდი უფრო უსაფრთხოა, რაც საშუალებას გვაძლევს გამოვიყენოთ იგი სხვადასხვა მოწყობილობისთვის (კბილის ჯაგრისიდან ავტომობილამდე).

წინამდებარე კვლევის ფოკუსია უსადენო დამუხტვის სტრატეგიაზე კავშირგაბმულობის ქსელებში უსადენო ენერგიის მიღების საშუალები, რომელსაც ვუწოდებთ უსადენო კავშირგაბმულობის ქსელებს (WPCN).

ისტორია და კომერციალიზაცია

ქვემოთ ნაჩვენებია უსადენო დამუხტვის ტექნოლოგიის ისტორია და განვითარების ეტაპები:

დროის შკალა            უსადენო გამოსხივების  დამუხტვის  განვითარება

1810 წ                 ხ.ს. ესტედმა აღმოაჩინა კავშირი ელექტრულ დენის და მაგნიტური ველის შორის

1820 წ                 ამპერის კანონი / ბიო-სავერსის კანონი

1831 წ                 ფარადეის კანონი

1860 წ                მაქსველის განტოლებები

1873 წ              ჯ.მაქსველმა ახსნა ელექტროობის და მაგნეტიზმის გამოსხივება

ელექტრომაგნიტური ველის თეორიის პირველადი კვლევები და შემოწმება

1880 წ          გ.რ. ჰერცმა გამოიყენა კოჭაზე მიერთებული ოსცილატორი ენერგიის მცირე მანძილზე              გადაცემისათვის

1890 წ            ნ.ტესლა გადასცემდა მიკროტალღებს 48 კმ მანძილზე (1889 წ)

ნ.ტესლამ აანთო ფოსფორული ნათურა სადენის გამოყენების გარეშე (1893 წ)

ნ. ტესლამ დააპატენტა ე.წ. „ ტესლას კოჭი „ (1897 წ)

ნ.ტესლამ აანთო 200 ნათურა და აამუაშავა ელექტროძრავი 25 კმ მანძილზე ( 1899წ )

1990 წ          ნ.ტესლამ ააგო ვორდენკლიფის გოდოლი (1091 წ0

გ. მარკონიმ გადასცა რადოპტალღა ატლანტიკური ოკეანის გაღმა

ძირითადი კვლევები სამხედრო სფეროსა და მედიცინაში

1960 წ        ბ.კ. ბრაუნმა წარმოადგინა მიკროტალღური გამოსხივების მეშვეობით ენერგიის გადაცემის          პირველი სისტემა. (1963)

რეზონანსური ინდუქციური კავშირის გამოყენება სამედიცინო იმპლანტატნებში (19560 წ)

წარმოდგენილია თანამგზავრთა სისტემიდან ენერგიის გადაცემის კონცეპცია (1968 წ)

1970 წ    მ.კადრუპლომ დააპატენტა RFID-სენსორი (1971)

დ.ოტტომ შექმნა ინდუქტიური კვების ურმის მოდელი (1971)

30კვტგადაცემულია 2 კმ მანძილზე

1990 წ Cota-ს სისტემა (2008)                   დაპატენტებულია და შექმნილია RFID ნიშნულები უსადენო          კვებით,ინდუქციის საფუძველზე, მუშაობის მანძილი რამოდენიმე მეტრი

მეცნიერებმა გააერთიანეს ინერგიის და მონაცემების გადაცემა (2008)

შეიქმნა უსადენო ენერგეტიკის კონსორციუმი (2008)

შეიქმნა უსადენო ენერგეტიკის ალიანსი ( 2012)

Apple, Samsung, Google, Nokia, LG განაცხადეს უსადენოდამუხტვის ელემენტებით წარმოებული ხელსაწყოების მოწოდების მზაობის შესახებ (2014)

თეორიული საფუძვლები

ელექტრომაგნეტიზმის გამოკვლევა დაიწყო 2019 წელს, როდესაც ხ.ს. ერსტედმა აღმოაჩინა ელექტრულ დენს და მაგნიტურ ველს შორის კავშირი. მოგვიანებით იყო აღმოჩენილი კანონები; ამპერის, ბიო-სავრის, და ფარადეის, რომლებიც აღწერდნენ ელექტრომაგნიტური ველის თვისებებს. 1864 წელს მაქსველმა ჩამოაყალიბა განტოლებები, რომლებიც ახასიათებს ელექტრომული და მაგნიტური ველის წარმოშობის და ურთიერთქმედების  პროცესებს. მოგვიანებით, 1873 წელს, მაქსველის წინგნის ( ტრაქტატი  ელექტროობის და მაგნეტიზის შესახებ) პუბლიკაციის შემდგომ, მეცნიერებამ გააერთიანე ეს ორი ცნება ელექტრომაგნიტური ველის ცნების სახით, -გარემო, რომლეშიც ვრცელდება ელექტრული და მაგნიტური ურთიერთქმედება.  ამ ისტორიულმა პროცესმა დაარსა თანამედოვე ელექტრომაგნეტიზმის თეორიული საფუძვლები.

ტექნიკური საფუძვლები და კვლევითი პროექტები

ისტორია მოწმეა მრავალი ტექნიკური წინსვლისა, რომელიც გაერთიანებულია ორი ძირითადი მიმართულებით ელექტრული და მაგნიტური ველის  კვლევის სფეროში. 1888წ ჰერცმა ელექტრობის გააცემისთვის მცირე ჭუჭრუტანაში გამოიყენა ოსცილატორი, შეერთებული  ინდუქციურ კოჭებთან. ამ ცდამ პირველად დაამტკიცა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების არსებობა. ნიკოლა ტესლა გახლავთ პირველი, რომელმაც შექმნა ცვლად დენზე მომუშავე ხელსაწყოები, გამახორციელა პირველი ექსპერემენტები უსადენო ემერგიის გადაცემისათვის მიკროტალღური გამოსხივების საფუძველზე. მან ძალისხმევა მიმართა დიდ მანძილზე უსადენოდ ენერგიის გადაცემის საშუალების შესწავლას. 1896 წელს ნიკოლო ტესლამ მოახერხა სიგნალის გადახცემა 48 კმ მანძილზე მიკროტალღური გამოსხივების საშუალებით. კიდევ ერთი მისი მიღწევა-1899 წელს  მაღალი სიხშირის ენერგია 10 მეგავატი სიმძლავრით, გადაცემული იყო 40 კმ მანძილზე, და ამ ენერგიის საშუალებით მოხერხდა 200 ვარვარების ელ.სანათის ჩართვა და ელექტროძრავის გაშვება. მაგრამ, ტექნოლოგიამ, რომესაც იყენებდა ტესლა ვერ ჰპოვა განვითარება, ვინაიდან ასეთი მაღალი ძაბვის გამოყენებას შეეძლო კატასტროფული შედეგები მოეტანა ახლოში მდებარე ადამიანებისთვის და  ელ.მოწყობილობათათვის დაახლოებით ამ პერიოდში წარმოადგინა თავისი ცნობილი ტესლას ელექტრომაგნიტური კოჭა. 1901 წელს, მან ააგო ვოედწნკლიფის გოდოლი, იონოსფეროს გამოყენებით ელექტროენერგიის გადაცემისათვის, მაგრამ იმ დროისთვის ტექნოლოგიების გაუნვითარებლობის გამო (სისტემის დაბალი ეფექტურობა დიდი მასშტაბის ელექტრონული ველის გენერაციის საჭიროების გამო) იდეას არ გააჩნდა კომერციული წარმატება შემდგომი განვითარებისათვის.

მხოლოდ 1920-1930 წწ იყო შექმნილი მაგნეტრონები ელექტროენერგიის მიკროტალღებში გარდაქნისათვის, რამაც სადენების გამოყენების გარეშე ილექტროენერგიის გადაცემა შორ მანძილზე გახადა შესაძლებელი, მაგრამ მიკროტალღური გამოსხივების ელექტროენერგიაში  გარდაქმნის საშუალების           არ არსებობის გამო, უსადენო დამუხტვის ტექნოლოგიის განვითარების პროცესი შეჩერდა.