Introducción a las Tecnologías de Transferencia de Energía Inalámbricas (WPT)

Los sistemas de transferencia inalámbrica de energía prometen liberarnos de la tiranía de los cables de alimentación. Esta tecnología está siendo incorporada en toda clase de dispositivos y sistemas.

El sistema cableado

La mayoría de residencias y edificios comerciales actuales son alimentados con corriente alterna (AC) a través de la red eléctrica de cada país. Las estaciones eléctricas generan la energía que es llevada hasta los hogares y negocios a través de líneas de transmisión de alto voltaje y de transformadores reductores.

La electricidad entra a la caja de interruptores, y luego el cableado eléctrico suministra la corriente a los equipos AC y dispositivos que usamos cada día; luces, electrodomésticos, cargadores y otros.

Todos los componentes están estandarizados y de acuerdo con el código eléctrico, por lo que cualquier dispositivo clasificado para corriente y voltaje estándar funcionará en cualquiera de los millones de tomacorrientes que hay en el país. Si bien las normas difieren entre países y continentes, dentro de un sistema eléctrico determinado, cualquier dispositivo estandarizado funcionará apropiadamente.

Un cable aquí, otro por allá… La mayoría de nuestros dispositivos eléctricos usan cables de alimentación.

La tecnología de transmisión de energía inalámbrica (WPT)

La transmisión de energía de forma inalámbrica o Wireless Power Transfer (WPT), hace posible suministrar energía sin necesidad de cables portadores de corriente, con ella se puede llevar electricidad de una fuente CA a dispositivos compatibles sin una conexión física o cables. Con la WPT se pueden recargar teléfonos y tablets, drones, carros, equipos de transporte, e incluso podría en un futuro usarse para transmitir de forma inalámbrica la energía recolectada por grupos de paneles solares ubicados en el espacio.

La WPT ha sido un gran avance en la electrónica de consumo, reemplazando los cargadores cableados. En el 2017 se pondrán a la venta muchos dispositivos que usan esta tecnología.

El concepto de transferir energía sin cables, sin embargo ha existido desde finales de la década de 1890. El científico Nikola Tesla podía encender bombillas eléctricas de forma inalámbrica en su laboratorio de Colorado Springs usando inducción electrodinámica (acoplamiento inductivo resonante aka).

Una imagen de la patente de Tesla para un «aparato para transmitir energía electrica,» 1907.

Tres bombillas colocadas a 60 pies (18 metros) de la fuente fueron encendidas, y la demostración fue documentada. Tesla tenía grandes planes y esperaba que su Torre de Wardenclyffe, con sede en Long Island, transmitiera energía eléctrica de forma inalámbrica a través del Océano Atlántico. Sin embargo eso nunca sucedió debido a varias dificultades, como la falta de financiación y oportunidad.

La tecnología WPT usa campos creados por partículas cargadas para transportar energía entre transmisores y receptores, a través del aire. La energía es convertida en un campo oscilante, que se transmite por el aire y luego se convierte en corriente eléctrica utilizable por un receptor. Dependiendo de la potencia y la distancia, la energía puede ser transferida eficientemente a través de un campo eléctrico, un campo magnético o a través de ondas electromagnéticas (EM) como las ondas de radio, microondas o incluso la luz.

La siguiente tabla enumera las diversas tecnologías de WPT así como el tipo de transferencia de energía que utilizan.

Tecnologías WPT

Qi Charging: un estándar abierto para la carga inalámbrica

Mientras que algunas de las compañías que prometen el WPT aun están trabajando para entregar productos, el protocolo Qi (que se pronuncia “chi”) ya está estandarizado y los dispositivos que lo usan están disponibles en el mercado. El Consorcio de Energía Inalámbrica (WPC por sus siglas en inglés), establecido en 2008, desarrolló el estándar Qi para la carga de baterías. Este estándar soporta tecnologías de carga inductiva y resonante.

La carga inductiva tiene la energía que pasa entre bobinas transmisora y receptora a corta distancia. Los sistemas inductivos requieren que las bobinas estén muy próximas y alineadas entre ellas; Normalmente los dispositivos están en contacto directo con la almohadilla de carga. La carga de resonancia no requiere una alineación cuidadosa y los cargadores pueden detectar y cargar un dispositivo a distancias de hasta 45mm; por lo tanto, los cargadores resonantes pueden ser incrustados en muebles o montados en estanterías.

El logo de Qi mostrado en el plato de carga inalámbrica Qimini. Imagen cortesía de Tektos.

La presencia de un logotipo Qi significa que el dispositivo está registrado y certificado por el WPC.

Cuando fue introducida por primera vez, la carga Qi solo era para cargas de baja potencia, alrededor de 5W. El primer teléfono inteligente con Qi fue introducido en 2011. Para el 2015, Qi fue ampliado para incluir cargas de hasta 15W, lo cual permite la carga rápida de dispositivos.

La siguiente gráfica de la Texas Instrumens muestra lo que cubre el estándar Qi.

Imagen cortesía de Texas Instruments.

Solo los dispositivos enumerados en la Base de Datos de Registro Qi están garantizados para proporcionar compatibilidad Qi.

Actualmente hay más de 700 productos en la lista. Es importante reconocer que los productos con el logotipo de Qi han sido probados y certificados; los campos magnéticos que utilizan no causarán problemas para dispositivos sensibles como teléfonos móviles o pasaportes electrónicos. Los dispositivos registrados están garantizados para trabajar con todos los cargadores registrados.
Para más información sobre el estándar de carga inalámbrica Qi, puede ver este artículo en inglés, y para una introducción hacia una evaluación técnica de las tarjetas de evaluación WPT de los transmisores-receptores compatibles con este estándar haga clic aquí y aquí.

La Física del WPT

La WPT para dispositivos de consumo es una tecnología emergente, pero los principios y componentes subyacentes no son nuevos. Las ecuaciones Maxwell todavía gobiernan dondequiera que la electricidad y el magnetismo están implicados, y los transmisores envían energía a los receptores en la misma manera que sucede en otras formas de comunicación inalámbrica. La WPT es diferente sin embargo, en que su objetivo principal es la transferencia de la energía en sí, en lugar de la información codificada en la energía.

Diagrama de bloques transmisor-receptor WPT

Los campos electromagnéticos implicados en la WPT pueden ser bastante fuertes, y la seguridad humana ha de tenerse en cuenta. La exposición a la radiación electromagnética puede ser motivo de preocupación, y también existe la posibilidad de que los campos generados por los transmisores WPT puedan interferir con dispositivos médicos portátiles o implantados.

Los transmisores y receptores están incrustados en los equipos WPT, así como las baterías que van a ser cargadas. Los circuitos de conversión reales dependerán de la tecnología utilizada. Además de la transferencia real de energía, el sistema WPT debe permitir que el transmisor y el receptor se comuniquen. Esto asegura que un receptor pueda notificar al dispositivo de carga cuando la batería está totalmente cargada. La comunicación también permite a un transmisor detectar e identificar a un receptor, ajustar la cantidad de energía transmitida a la carga y monitorear condiciones como la temperatura de la batería.

El concepto de la radiación de campos cercanos y lejanos es relevante para la WPT. Las técnicas de transmisión, la cantidad de energía que se puede transferir y los requisitos de proximidad dependen de si el sistema está utilizando radiación de campo cercano o de campo lejano.

Los lugares en los que la distancia desde la antena es mucho menor que una longitud de onda se encuentran en el campo cercano. La energía en el campo cercano es no radiativa, y los campos magnéticos y eléctricos oscilantes son independientes entre sí. El acoplamiento capacitivo (eléctrico) e inductivo (magnético) se puede utilizar para transferir energía a un receptor situado en el campo cercano del transmisor.

Los sitios en los que la distancia de la antena es mayor que aproximadamente dos longitudes de onda están en el campo lejano. (Existe una región de transición entre el campo cercano y el campo lejano.) La energía en el campo lejano está en la forma típica de radiación electromagnética. La transferencia de potencia de campo lejano también se conoce como transmisión de potencia. Ejemplos de transferencia de campo lejano son los sistemas que utilizan láseres de alta potencia o radiación de microondas para transferir energía a largas distancias.

Dónde trabajan las WPT

Todas las tecnologías de WPT están actualmente bajo investigación activa, centrándose en gran parte en maximizar la eficiencia de transferencia de potencia (PDF) e investigar técnicas para acoplamiento resonante magnético (PDF). Además de la idea de entrar en una sala equipada con WPT y que tus dispositivos se carguen automáticamente, ya hay proyectos mucho más ambiciosos.

En todo el mundo, los autobuses eléctricos se están convirtiendo en la norma; Los icónicos autobuses de dos pisos de Londres están planeando adaptarse para carga inalámbrica, al igual que los sistemas de bus en Corea del Sur, Utah y Alemania.

Con WiTricity, inventado por científicos del MIT, los coches eléctricos se pueden cargar de forma inalámbrica, y esos coches pueden cargar los móviles de forma inalámbrica (¡Usando Qi, por supuesto!) Esta tecnología inalámbrica es conveniente, para estar seguro, pero también puede cargar coches más rápido que el sistema de enchufe.

Gráfico de una configuración de carga de aparcamiento inalámbrico construido en una plaza de aparcamiento. Imagen cortesía de Toyota.

Ya se ha demostrado también un sistema experimental para la alimentación inalámbrica de aviones no tripulados. Y como se mencionó anteriormente, la investigación y el desarrollo en curso se centra en la perspectiva de abastecer algunas de las necesidades energéticas de la Tierra utilizando WPT en conjunto con paneles solares colocados en el espacio.

¡Las WPT trabajan en todas partes!

Conclusión

Mientras que el sueño de Tesla de tener energía entregada sin cables para el uso de todos aun está lejos de ser factible, muchos dispositivos y sistemas están usando alguna forma de transferencia de energía inalámbrica en este momento. Desde los cepillos de dientes a los teléfonos móviles, de los coches al transporte público, hay muchas aplicaciones para la transferencia de energía inalámbrica, y es deber de todo técnico e ingeniero en electricidad y electrónica mantenerse al día en el conocimiento de dichas tecnologías.

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