Бесконтактная передача энергии уже зарекомендовала себя как ключевая технология, когда дело доходит до зарядки небольших устройств, таких как мобильные телефоны и электрические зубные щетки. Пользователи также хотели бы, чтобы бесконтактная зарядка стала доступной для более крупных электрических машин, таких как промышленные роботы, медицинское оборудование и электромобили.
Такие устройства можно ставить на зарядную станцию, когда они не используются. Это позволит эффективно использовать даже короткие периоды простоя для подзарядки аккумуляторов. Однако доступные в настоящее время системы передачи для высокопроизводительной подзарядки в диапазоне киловатт и выше являются большими и тяжелыми, поскольку они основаны на медных катушках.
Работая в исследовательском партнерстве с компаниями Wurth Elektronik eiSos и специалистом по сверхпроводящим покрытиям Тевой Дуннщихттехник, группе физиков во главе с Кристофом Утшиком и Рудольфом Гроссом удалось создать катушку со сверхпроводящими проводами, способную бесконтактно передавать энергию в количестве более пяти штук. киловатт (кВт) и без значительных потерь.
Снижение потерь переменного тока в сверхпроводниках
Это означало, что исследователям пришлось преодолеть проблему.
Незначительные потери переменного тока также возникают в сверхпроводящих передающих катушках. Эти потери растут по мере увеличения характеристик передачи, что имеет решающее влияние: температура поверхности сверхпроводящих проводов повышается, и сверхпроводимость разрушается.
Исследователи разработали особую конструкцию катушки, в которой отдельные обмотки катушки отделены друг от друга прокладками. «Этот трюк значительно снижает потери переменного тока в катушке», – говорит Кристоф Утшик. "В результате возможна передача энергии в диапазоне киловатт."
Оптимизация с помощью аналитического и численного моделирования
Команда выбрала диаметр катушки для своего прототипа, что привело к более высокой удельной мощности, чем это возможно в коммерчески доступных системах. «Основная идея сверхпроводящих катушек состоит в том, чтобы достичь минимально возможного сопротивления переменному току в пределах минимально возможного пространства обмотки и, таким образом, компенсировать уменьшенную геометрическую связь», – говорит Утчик.
Это призвало исследователей разрешить фундаментальный конфликт.
Если бы они сделали небольшое расстояние между обмотками сверхпроводящей катушки, катушка была бы очень компактной, но возникла бы опасность коллапса сверхпроводимости во время работы. С другой стороны, большее разделение приведет к более низкой плотности мощности.
«Мы оптимизировали расстояние между отдельными обмотками с помощью аналитического и численного моделирования», – говорит Утчик. «Расстояние примерно равно половине ширины ленточного проводника."Теперь исследователи хотят работать над дальнейшим увеличением передаваемой мощности.
Интересные области применения
Если им это удастся, откроются двери для большого количества очень интересных областей применения, например, использования в промышленной робототехнике, автономных транспортных средствах и высокотехнологичном медицинском оборудовании. Утшик даже представляет себе электрические гоночные автомобили, которые можно динамически заряжать на гоночной трассе, а также автономные электрические летательные аппараты.
Однако широкое применение системы все еще сталкивается с препятствиями. Змеевики требуют постоянного охлаждения жидким азотом, а используемые охлаждающие сосуды не могут быть металлическими.
В противном случае стенки металлических сосудов сильно нагреваются в магнитном поле, как кастрюля на индукционной плите.
"Таких криостатов пока нет в продаже. Это потребует значительных усилий по дальнейшему развитию ", – говорит Рудольф Гросс, профессор технической физики Мюнхенского технического университета и директор Института Вальтера-Мейснера Баварской академии наук и гуманитарных наук. "Но достигнутые к настоящему времени достижения представляют собой значительный прогресс в области бесконтактной передачи энергии на высоких уровнях мощности."