Transfert de puissance sans fil

Le transfert de puissance sans fil (WPT), la transmission de puissance sans fil, la transmission d’énergie sans fil (WET) ou le transfert de puissance électromagnétique constituent la transmission de l’énergie électrique sans fil en tant que liaison physique. Dans un système de transmission de puissance sans fil, un dispositif émetteur, alimenté par une source d’énergie électrique, génère un champ électromagnétique variable dans le temps, transmettant de l’énergie dans l’espace à un récepteur, charge. Le transfert de puissance sans fil est utile pour alimenter des appareils électriques lorsque les câbles d’interconnexion sont peu pratiques, dangereux ou impossibles.

Les techniques d’alimentation sans fil se répartissent principalement en deux catégories, non radiatives et radiatives. Dans les techniques en champ proche ou non radiatif, l’énergie est transférée sur de courtes distances par des champs magnétiques en utilisant un couplage inductif entre des bobines de fil ou des champs électriques utilisant un couplage capacitif entre des électrodes métalliques. Le couplage inductif est la technologie sans fil la plus utilisée; Ses applications incluent le chargement d’appareils portables tels que les téléphones et les brosses à dents électriques, les étiquettes RFID et le chargement sans fil ou le transfert d’énergie continu sans fil dans des dispositifs médicaux implantables tels que des stimulateurs cardiaques artificiels ou des véhicules électriques.

Dans les techniques de champ lointain ou radiatif, également appelées «faisceaux de puissance», la puissance est transférée par des faisceaux de rayonnements électromagnétiques, tels que des micro-ondes ou des faisceaux laser. Ces techniques peuvent transporter des distances plus longues mais doivent viser le récepteur. Les applications proposées pour ce type sont les satellites solaires et les drones à propulsion sans fil.

Un problème important associé à tous les systèmes d’alimentation sans fil consiste à limiter l’exposition des personnes et des autres êtres vivants aux champs électromagnétiques potentiellement dangereux.

Régions de terrain
Les champs électriques et magnétiques sont créés par des particules chargées dans la matière telles que les électrons. Une charge stationnaire crée un champ électrostatique dans l’espace qui l’entoure. Un courant constant de charges (courant continu, DC) crée un champ magnétique statique autour de lui. Les champs ci-dessus contiennent de l’énergie, mais ne peuvent pas transporter d’énergie car ils sont statiques. Cependant, les champs variant dans le temps peuvent porter le pouvoir. Des charges électriques accélératrices, telles que celles que l’on trouve dans un courant alternatif (AC) d’électrons dans un fil, créent des champs électriques et magnétiques variables dans l’espace qui les entoure. Ces champs peuvent exercer des forces oscillantes sur les électrons dans une “antenne” de réception, les faisant se déplacer d’avant en arrière. Celles-ci représentent un courant alternatif pouvant être utilisé pour alimenter une charge.

Les champs électriques et magnétiques oscillants entourant les charges électriques en mouvement dans un dispositif d’antenne peuvent être divisés en deux régions, en fonction de la distance D de l’antenne. La limite entre les régions est définie de manière quelque peu vague. Les champs ont des caractéristiques différentes dans ces régions et différentes technologies sont utilisées pour transférer le pouvoir:

Zone proche ou non radiative – Cela signifie que la zone se situe à environ 1 longueur d’onde (λ) de l’antenne. Dans cette région, les champs électriques et magnétiques oscillants sont séparés et la puissance peut être transférée via des champs électriques par couplage capacitif (induction électrostatique) entre des électrodes métalliques ou via des champs magnétiques par couplage inductif (induction électromagnétique) entre des bobines de fil. Ces champs ne sont pas radiatifs, ce qui signifie que l’énergie reste à une courte distance de l’émetteur. S’il n’y a pas de dispositif de réception ou de matériau absorbant dans leur plage limitée à «coupler» à, aucune source d’énergie ne sort de l’émetteur. La portée de ces champs est courte et dépend de la taille et de la forme des dispositifs “antennes”, qui sont généralement des bobines de fil. Les champs, et donc la puissance transmise, diminuent de manière exponentielle avec la distance, donc si la distance entre les deux “antennes” D est beaucoup plus grande que le diamètre des “antennes”, très peu de puissance sera reçue. Par conséquent, ces techniques ne peuvent pas être utilisées pour la transmission de puissance à longue distance.

La résonance, telle que le couplage inductif résonnant, peut augmenter considérablement le couplage entre les antennes, permettant une transmission efficace à des distances un peu plus grandes, bien que les champs diminuent encore de manière exponentielle. Par conséquent, la gamme des appareils de proximité est classiquement divisée en deux catégories:

Courte portée – jusqu’à environ un diamètre d’antenne: gamme D ≤ D ant . C’est la plage sur laquelle un couplage capacitif ou inductif non résonnant ordinaire peut transférer des quantités de puissance pratiques.

Milieu de gamme – jusqu’à 10 fois le diamètre de l’antenne: gamme D ≤ 10 D ant . C’est la plage sur laquelle le couplage capacitif ou inductif résonnant peut transférer des quantités pratiques d’énergie.

Champ lointain ou région radiative – Au-delà d’environ 1 longueur d’onde (λ) de l’antenne, les champs électriques et magnétiques sont perpendiculaires entre eux et se propagent sous forme d’ondes électromagnétiques; des exemples sont les ondes radio, les micro-ondes ou les ondes lumineuses. Cette partie de l’énergie est radiative, c’est-à-dire qu’elle quitte l’antenne, qu’il y ait ou non un récepteur pour l’absorber. La partie de l’énergie qui ne frappe pas l’antenne de réception est dissipée et perdue dans le système. La quantité d’énergie émise sous forme d’ondes électromagnétiques par une antenne dépend du rapport entre la taille de l’antenne Dant et la longueur d’onde des ondes λ, qui est déterminée par la fréquence: λ = c / f. Aux basses fréquences f où l’antenne est beaucoup plus petite que la taille des ondes, D ant << λ, très peu de puissance est émise. Par conséquent, les appareils à champ proche ci-dessus, qui utilisent des fréquences plus basses, n’émettent quasiment aucune énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Des antennes de la même taille que la longueur d’onde D ant ≈ λ, telles que les antennes monopolaires ou dipolaires, émettent efficacement de l’énergie, mais les ondes électromagnétiques sont rayonnées dans toutes les directions (omnidirectionnelles). le rayonnement le frappera. Par conséquent, ceux-ci peuvent être utilisés pour une transmission de puissance à courte portée, inefficace, mais pas pour une transmission à longue distance.

Cependant, contrairement aux champs, le rayonnement électromagnétique peut être focalisé par réflexion ou réfraction dans des faisceaux. En utilisant une antenne à gain élevé ou un système optique qui concentre le rayonnement dans un faisceau étroit dirigé vers le récepteur, il peut être utilisé pour la transmission de puissance à longue distance. D’après le critère de Rayleigh, pour produire les faisceaux étroits nécessaires pour concentrer une quantité significative d’énergie sur un récepteur éloigné, une antenne doit être beaucoup plus grande que la longueur d’onde des ondes utilisées: D ant >> λ = c / f. Les dispositifs de puissance de faisceau pratiques nécessitent des longueurs d’onde dans la région centimétrique ou inférieure, correspondant à des fréquences supérieures à 1 GHz, dans la gamme des micro-ondes ou au-dessus.

Techniques en champ proche (non radiatif)
À grande distance relative, les composantes du champ proche des champs électriques et magnétiques sont des champs dipolaires oscillants approximativement quasi-statiques. Ces champs décroissent avec le cube de distance: ( D range / D ant ) −3 Comme la puissance est proportionnelle au carré du champ, la puissance transférée diminue comme ( D- range / D ant ) −6. ou 60 dB par décennie. En d’autres termes, si la distance entre les deux antennes est éloignée, la puissance reçue diminue d’un facteur 2 6 = 64. Par conséquent, le couplage inductif et capacitif ne peut être utilisé que pour un transfert de puissance à courte distance, à l’intérieur de quelques fois le diamètre du dispositif d’antenne D ant . Contrairement à un système radiatif où le rayonnement maximal se produit lorsque les antennes dipolaires sont orientées transversalement à la direction de propagation, le couplage maximal se produit avec les champs dipolaires lorsque les dipôles sont orientés longitudinalement.

Couplage inductif
Dans le couplage inductif (induction électromagnétique ou transfert de puissance inductif, IPT), la puissance est transférée entre les bobines de fil par un champ magnétique. Les bobines émettrices et réceptrices forment ensemble un transformateur (voir schéma). Un courant alternatif (AC) à travers la bobine émettrice (L1) crée un champ magnétique oscillant (B) par la loi d’Ampère. Le champ magnétique traverse la bobine réceptrice (L2), où il induit une FEM (tension) alternée selon la loi d’induction de Faraday, qui crée un courant alternatif dans le récepteur. Le courant alternatif induit peut soit conduire la charge directement, soit être redressé en courant continu (CC) par un redresseur dans le récepteur, qui entraîne la charge. Quelques systèmes, tels que les chargeurs électriques de brosses à dents, fonctionnent à 50/60 Hz pour que le courant alternatif soit appliqué directement à la bobine émettrice, mais dans la plupart des systèmes, un oscillateur électronique génère un courant alternatif de plus haute fréquence améliore avec la fréquence.

Le couplage inductif est la technologie d’alimentation sans fil la plus ancienne et la plus répandue et pratiquement la seule utilisée jusqu’à présent dans les produits commerciaux. Il est utilisé dans les systèmes de charge inductive pour les appareils sans fil utilisés dans des environnements humides tels que les brosses à dents électriques et les rasoirs, afin de réduire le risque de choc électrique. Un autre domaine d’application est la recharge “transcutanée” des prothèses biomédicales implantées dans le corps humain, tels que les stimulateurs cardiaques et les pompes à insuline, afin d’éviter que des fils ne traversent la peau. Il est également utilisé pour charger des véhicules électriques tels que des voitures et pour charger ou alimenter des véhicules de transit comme des bus et des trains.
Cependant, l’utilisation la plus rapide est l’utilisation de blocs de recharge sans fil pour recharger les appareils mobiles et portables, tels que les ordinateurs portables et les tablettes, les téléphones portables, les lecteurs multimédias numériques et les contrôleurs de jeux vidéo.

La puissance transférée augmente avec la fréquence et l’inductance mutuelle  entre les bobines, qui dépend de leur géométrie et de la distance  entre eux. Un facteur de mérite largement utilisé est le coefficient de couplage  . Ce paramètre sans dimension est égal à la fraction du flux magnétique traversant la bobine émettrice  qui traverse la bobine réceptrice  quand L2 est en circuit ouvert. Si les deux bobines sont sur le même axe et se rapprochent pour que tout le flux magnétique de  Passe à travers  ,  et l’efficacité du lien approche 100%. Plus la séparation entre les bobines est importante, plus le champ magnétique de la première bobine manque le second et le plus bas  et l’efficacité du lien est proche de zéro dans les grandes séparations. L’efficacité du lien et la puissance transférée sont à peu près proportionnelles à  . Pour obtenir un rendement élevé, les bobines doivent être très rapprochées, une fraction du diamètre de la bobine  , généralement en centimètres, avec les axes des bobines alignés. Des formes de bobines larges et plates sont généralement utilisées pour augmenter le couplage. Les noyaux de «confinement du flux» de ferrite peuvent confiner les champs magnétiques, améliorer le couplage et réduire les interférences avec les appareils électroniques à proximité, mais ils sont lourds et volumineux.

Le couplage inductif ordinaire ne peut atteindre un rendement élevé que lorsque les bobines sont très rapprochées, généralement adjacentes. Dans la plupart des systèmes inductifs modernes, le couplage inductif résonnant est utilisé, dans lequel l’efficacité est augmentée en utilisant des circuits résonnants. Cela peut atteindre des rendements élevés à des distances plus grandes que le couplage inductif non résonnant.

Couplage inductif résonnant
Le couplage inductif résonnant (couplage électrodynamique, résonance magnétique fortement couplée) est une forme de couplage inductif dans lequel l’énergie est transférée par des champs magnétiques (B, verts) entre deux circuits résonnants (circuits accordés), un dans l’émetteur et un dans le récepteur ( voir schéma, à droite). Chaque circuit résonnant est constitué d’une bobine de fil connectée à un condensateur, ou d’une bobine auto-résonnante ou d’un autre résonateur à capacité interne. Les deux sont réglés pour résonner à la même fréquence de résonance. La résonance entre les bobines peut considérablement augmenter le couplage et le transfert de puissance, de manière analogue à la manière dont un diapason vibrant peut induire des vibrations sympathiques dans une fourchette éloignée accordée au même pas.

Nikola Tesla a découvert pour la première fois le couplage résonnant lors de ses expériences pionnières dans le transfert de puissance sans fil au début du XXe siècle, mais les possibilités d’utiliser un couplage résonnant pour augmenter la portée de transmission n’ont été que récemment explorées. En 2007, une équipe dirigée par Marin Soljačić au MIT a utilisé deux circuits couplés couplés composés chacun d’une bobine de fil de 25 cm à 10 MHz pour réaliser une transmission de 60 W sur une distance de 2 mètres (6,6 pieds) ( 8 fois le diamètre de la bobine) à environ 40% d’efficacité. Soljačić a fondé la société WiTricity (le même nom que l’équipe utilisée pour la technologie) qui tente de commercialiser la technologie.

Le concept derrière les systèmes de couplage inductif résonnant est que les résonateurs à facteur Q élevé échangent de l’énergie à un taux beaucoup plus élevé qu’ils ne perdent de l’énergie en raison de l’amortissement interne. Par conséquent, en utilisant la résonance, la même quantité de puissance peut être transférée à de plus grandes distances, en utilisant les champs magnétiques beaucoup plus faibles dans les régions périphériques (“queues”) des champs proches (appelés parfois champs évanescents). Le couplage inductif résonnant peut atteindre une efficacité élevée dans des plages de 4 à 10 fois le diamètre de la bobine ( D ant ). Cela s’appelle le transfert “à mi-distance”, contrairement à la “courte portée” du transfert inductif non résonnant, qui peut atteindre des rendements similaires uniquement lorsque les bobines sont adjacentes. Un autre avantage est que les circuits résonnants interagissent beaucoup plus fortement avec les objets non résonnants que les pertes de puissance dues à l’absorption dans des objets proches sont négligeables.

Un inconvénient de la théorie du couplage résonnant est qu’à des intervalles proches lorsque les deux circuits résonnants sont étroitement couplés, la fréquence de résonance du système n’est plus constante mais se divise en deux pics résonnants, de sorte que le transfert de puissance maximal ne se produit plus à l’origine. la fréquence de résonance et la fréquence de l’oscillateur doivent être accordées sur le nouveau pic de résonance. Le cas d’utilisation d’un tel pic décalé est appelé “résonance unique”. Les systèmes “Single résonant” ont également été utilisés, dans lesquels seul le secondaire est un circuit accordé. Le principe de ce phénomène est également appelé «synchronisation de phase (magnétique)» et a déjà commencé à être appliqué aux Japonais vers 1993. Et maintenant, le concept de résonance élevée présenté par le chercheur du MIT s’applique uniquement au résonateur secondaire. et le système de transfert de puissance sans fil à haut rendement et à large intervalle de rendement élevé est réalisé et il est utilisé pour le collecteur de courant d’induction de SCMaglev.

La technologie de résonance est actuellement largement incorporée dans les systèmes d’alimentation sans fil inductifs modernes. L’une des possibilités envisagées pour cette technologie est la couverture de puissance sans fil de zone. Une bobine dans le mur ou le plafond d’une pièce peut être capable d’alimenter sans fil les lumières et les appareils mobiles n’importe où dans la pièce, avec une efficacité raisonnable. L’avantage environnemental et économique de l’alimentation sans fil de petits appareils tels que des horloges, des radios, des lecteurs de musique et des télécommandes est de réduire considérablement les 6 milliards de piles éliminées chaque année, source importante de déchets toxiques et de contamination des eaux souterraines.

Couplage capacitif
En couplage capacitif (induction électrostatique), le conjugué du couplage inductif, l’énergie est transmise par des champs électriques entre des électrodes telles que des plaques métalliques. Les électrodes de l’émetteur et du récepteur forment un condensateur, l’espace intermédiaire étant le diélectrique. Une tension alternative générée par l’émetteur est appliquée à la plaque émettrice et le champ électrique oscillant induit un potentiel alternatif sur la plaque réceptrice par induction électrostatique, ce qui provoque un courant alternatif dans le circuit de charge. La quantité de puissance transférée augmente avec la fréquence du carré de la tension et la capacité entre les plaques, qui est proportionnelle à la surface de la plaque plus petite et (pour les courtes distances) inversement proportionnelle à la séparation.

Le couplage capacitif n’a été utilisé pratiquement que dans quelques applications de faible puissance, car les très hautes tensions sur les électrodes nécessaires pour transmettre une puissance importante peuvent être dangereuses et peuvent provoquer des effets secondaires désagréables tels qu’une production nocive d’ozone. De plus, contrairement aux champs magnétiques, les champs électriques interagissent fortement avec la plupart des matériaux, y compris le corps humain, en raison de la polarisation diélectrique. L’intervention de matériaux entre les électrodes ou à proximité de celles-ci peut absorber l’énergie, dans le cas où les humains pourraient provoquer une exposition excessive au champ électromagnétique. Cependant, le couplage capacitif présente quelques avantages par rapport au couplage inductif. Le champ est en grande partie confiné entre les plaques de condensateur, ce qui réduit les interférences, ce qui, dans le couplage inductif, nécessite des “noyaux de confinement” de ferrite lourds. De plus, les exigences d’alignement entre l’émetteur et le récepteur sont moins critiques. Le couplage capacitif a récemment été appliqué à la charge d’appareils portables alimentés par batterie ainsi qu’au chargement ou au transfert de puissance sans fil continu dans des implants biomédicaux et est considéré comme un moyen de transférer l’énergie entre les couches de substrat dans des circuits intégrés.

Deux types de circuit ont été utilisés:
Conception bipolaire: Dans ce type de circuit, il y a deux plaques émettrices et deux plaques réceptrices. Chaque plaque émettrice est couplée à une plaque réceptrice. L’oscillateur émetteur pilote les plaques émettrices en opposition de phase (différence de phase de 180 °) par une haute tension alternative et la charge est connectée entre les deux plaques réceptrices. Les champs électriques alternatifs induisent des potentiels alternatifs de phase opposée dans les plaques réceptrices, et cette action “push-pull” fait circuler le courant entre les plaques à travers la charge.Un inconvénient de cette configuration pour le chargement sans fil est que les deux plaques dans le dispositif de réception doivent être alignées face à face avec les plaques de chargeur pour que le dispositif fonctionne.

Conception unipolaire: Dans ce type de circuit, l’émetteur et le récepteur n’ont qu’une seule électrode active, et la masse ou une grande électrode passive sert de voie de retour pour le courant.L’oscillateur émetteur est connecté entre une électrode active et une électrode passive. La charge est également connectée entre une électrode active et une électrode passive. Le champ électrique produit par l’émetteur induit un déplacement de charge alternatif dans le dipôle de charge par induction électrostatique.

Couplage capacitif résonnant
La résonance peut également être utilisée avec un couplage capacitif pour étendre la portée. Au début du 20ème siècle, Nikola Tesla a réalisé les premières expériences à la fois avec le couplage inductif et capacitif.

Couplage magnétodynamique
Dans cette méthode, la puissance est transmise entre deux armatures tournantes, l’une dans l’émetteur et l’autre dans le récepteur, qui tournent de manière synchrone, couplées entre elles par un champ magnétique généré par des aimants permanents sur les armatures. L’armature de l’émetteur est tournée soit par ou comme le rotor d’un moteur électrique, et son champ magnétique exerce un couple sur l’armature du récepteur, en le faisant tourner. Le champ magnétique agit comme un couplage mécanique entre les armatures. L’armature du récepteur produit de l’énergie pour entraîner la charge, soit en tournant un générateur électrique séparé, soit en utilisant l’induit du récepteur lui-même comme rotor dans un générateur.

Ce dispositif a été proposé comme alternative au transfert de puissance inductif pour la charge sans contact de véhicules électriques. Une armature rotative intégrée dans un plancher ou une bordure de garage ferait tourner une armature de récepteur sous le véhicule pour charger ses batteries. On prétend que cette technique peut transférer de la puissance sur des distances de 10 à 15 cm (4 à 6 pouces) avec un rendement élevé, supérieur à 90%. De plus, les champs magnétiques parasites à basse fréquence produits par les aimants rotatifs produisent moins d’interférences électromagnétiques sur les appareils électroniques à proximité que les champs magnétiques à haute fréquence produits par les systèmes de couplage inductif. Un prototype de système de chargement de véhicules électriques est en service à l’Université de la Colombie-Britannique depuis 2012. D’autres chercheurs affirment toutefois que les deux conversions d’énergie (électrique à mécanique / électrique) rendent le système moins efficace que les systèmes électriques comme le couplage inductif.

Techniques de champ lointain (radiatif)
Les méthodes de champ lointain permettent d’atteindre de plus longues distances, souvent plusieurs kilomètres, où la distance est beaucoup plus grande que le diamètre du ou des dispositifs. Les antennes à directivité élevée ou la lumière laser bien collimatée produisent un faisceau d’énergie qui peut être adapté à la forme de la zone de réception. La directivité maximale pour les antennes est physiquement limitée par la diffraction.

En général, la lumière visible (des lasers) et les micro-ondes (des antennes conçues à cet effet) sont les formes de rayonnement électromagnétique les mieux adaptées au transfert d’énergie.
Les dimensions des composants peuvent être dictées par la distance entre l’émetteur et le récepteur, la longueur d’onde et le critère de Rayleigh ou la limite de diffraction, utilisés dans la conception d’antenne radiofréquence standard, qui s’applique également aux lasers. La limite de diffraction d’Airy est également fréquemment utilisée pour déterminer une taille de spot approximative à une distance arbitraire de l’ouverture. Le rayonnement électromagnétique subit moins de diffraction à des longueurs d’onde plus courtes (fréquences plus élevées); par exemple, un laser bleu est diffracté moins qu’un laser rouge.

Le critère de Rayleigh impose que toute onde radio, micro-onde ou faisceau laser se propage et devienne plus faible et diffuse sur de la distance; plus l’antenne de l’émetteur ou l’ouverture du laser est grande par rapport à la longueur d’onde du rayonnement, plus le faisceau est serré et moins il se propage en fonction de la distance (et vice versa). Les antennes plus petites souffrent également de pertes excessives dues aux lobes latéraux. Cependant, le concept d’ouverture laser diffère considérablement d’une antenne. Typiquement, une ouverture de laser beaucoup plus grande que la longueur d’onde induit un rayonnement multimodal et la plupart des collimateurs sont utilisés avant que les couples de rayonnement émis dans une fibre ou dans l’espace soient émis.

En définitive, la largeur de faisceau est déterminée physiquement par diffraction en raison de la taille de la parabole par rapport à la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique utilisé pour fabriquer le faisceau.
La transmission de puissance par micro-ondes peut être plus efficace que les lasers et est moins sujette à l’atténuation atmosphérique causée par la poussière ou la vapeur d’eau.

Ici, les niveaux de puissance sont calculés en combinant les paramètres ci-dessus et en ajoutant les gains et les pertes dus aux caractéristiques de l’antenne et à la transparence et à la dispersion du support traversé par le rayonnement. Ce processus s’appelle le calcul d’un budget de liaison.

Micro-ondes
La transmission de puissance via les ondes radio peut être rendue plus directionnelle, permettant ainsi une transmission de puissance sur de plus longues distances, avec des longueurs d’onde de rayonnement électromagnétique plus courtes, typiquement dans la gamme des micro-ondes. Un rectennamay peut être utilisé pour reconvertir l’énergie micro-onde en électricité. Des rendements de conversion de rectenna supérieurs à 95% ont été réalisés. La transmission de l’énergie à partir de satellites d’énergie solaire en orbite vers la Terre a été proposée par transfert de puissance à l’aide de micro-ondes et on a envisagé de transmettre l’énergie à des satellites quittant l’orbite.

La transmission de puissance par micro-ondes présente la difficulté que, pour la plupart des applications spatiales, les tailles d’ouverture requises sont très importantes en raison de la directivité de l’antenne limitant la diffraction. À titre d’exemple, l’étude de 1978 de la NASA sur les satellites solaires nécessitait une antenne émettrice de 1 kilomètre de diamètre (0,62 mi) et un diamètre de 10 kilomètres (6,2 milles) pour un faisceau de micro-ondes à 2,45 GHz. Ces tailles peuvent être quelque peu diminuées en utilisant des longueurs d’onde plus courtes, bien que les courtes longueurs d’ondes puissent avoir des difficultés avec l’absorption atmosphérique et le blocage du faisceau par la pluie ou les gouttelettes d’eau. En raison de la “malédiction à réseau aminci”, il est impossible de créer un faisceau plus étroit en combinant les faisceaux de plusieurs satellites plus petits.

Pour les applications liées à la terre, un réseau de réception de 10 km de diamètre sur une grande surface permet d’utiliser des niveaux de puissance totaux élevés tout en fonctionnant à la faible densité de puissance suggérée pour la sécurité de l’exposition électromagnétique humaine. Une densité de puissance humaine de 1 mW / cm2 répartie sur une zone de 10 km de diamètre correspond à un niveau de puissance totale de 750 mégawatts. C’est le niveau de puissance trouvé dans de nombreuses centrales électriques modernes.

Lasers
Dans le cas d’un rayonnement électromagnétique plus proche de la région visible du spectre (des dizaines de micromètres à des dizaines de nanomètres), la puissance peut être transmise en convertissant l’électricité en un faisceau laser qui est ensuite dirigé vers une cellule photovoltaïque.Ce mécanisme est généralement connu sous le nom de «power beaming» (faisceau de puissance), car la puissance est transmise à un récepteur capable de le convertir en énergie électrique. Au récepteur, des convertisseurs de puissance laser photovoltaïques spéciaux, optimisés pour la conversion de lumière monochromatique, sont appliqués.

Les avantages par rapport aux autres méthodes sans fil sont les suivants:
La propagation de front d’onde monochromatique collimatée permet une section de faisceau étroite pour la transmission sur de grandes distances.
Taille compacte: les lasers à l’état solide s’adaptent aux petits produits.
Aucune interférence de radiofréquence avec les communications radio existantes telles que le Wi-Fi et les téléphones portables.
Contrôle d’accès: seuls les récepteurs touchés par le laser sont alimentés.

Les inconvénients incluent:
Le rayonnement laser est dangereux. Les faibles niveaux de puissance peuvent aveugler les humains et les autres animaux. Des niveaux de puissance élevés peuvent tuer grâce à un chauffage localisé.
La conversion entre électricité et lumière est limitée. Les cellules photovoltaïques atteignent une efficacité de 40 à 50%. (Le rendement de conversion de la lumière laser en électricité est beaucoup plus élevé que celui de la lumière solaire en électricité).
L’absorption atmosphérique, l’absorption et la diffusion par les nuages, le brouillard, la pluie, etc. entraînent des pertes pouvant atteindre 100%.
Nécessite une ligne de vue directe avec la cible. (Au lieu d’être directement transmis au récepteur, la lumière laser peut également être guidée par une fibre optique. Ensuite, on parle de la technologie de la fibre optique.)

Couplage du canal plasma atmosphérique
Dans le couplage des canaux de plasma atmosphérique, l’énergie est transférée entre deux électrodes par conduction électrique à travers l’air ionisé. Lorsqu’un gradient de champ électrique existe entre les deux électrodes, dépassant 34 kilovolts par centimètre à la pression atmosphérique au niveau de la mer, un arc électrique se produit. Cette rupture diélectrique atmosphérique se traduit par un flux de courant électrique suivant une trajectoire aléatoire à travers un canal de plasma ionisé entre les deux électrodes. Un exemple de ceci est la foudre naturelle, où une électrode est un point virtuel dans un nuage et l’autre est un point sur la Terre. Des recherches sur le canal plasma induit par laser (LIPC) sont actuellement en cours avec des lasers ultra-rapides pour favoriser artificiellement le développement du canal plasma dans l’air, diriger l’arc électrique et guider le courant sur un trajet spécifique de manière contrôlable. L’énergie laser réduit la tension de claquage diélectrique atmosphérique et l’air est rendu moins isolant par la surchauffe, ce qui diminue la densité p du filament d’air.

Ce nouveau procédé est en cours d’exploration pour être utilisé comme paratonnerre laser et comme moyen de déclencher des éclairs de nuages ​​pour des études de canaux de foudre naturels, pour des études de propagation atmosphérique artificielle, en remplacement des antennes radio classiques. usinage, pour détourner le courant de décharges de condensateurs à haute tension, pour des applications d’armes à énergie dirigée utilisant la conduction électrique à travers un trajet de retour au sol, et le brouillage électronique.

Récupération d’énergie
Dans le contexte de l’énergie sans fil, la récupération d’énergie, également appelée récupération d’énergie ou récupération d’énergie, est la conversion de l’énergie ambiante de l’environnement en énergie électrique, principalement pour alimenter de petits appareils électroniques sans fil autonomes. champs ou ondes radio provenant d’équipements électriques, de lumière, d’énergie thermique (chaleur) ou d’énergie cinétique à proximité, tels que vibrations ou mouvements de l’appareil. Bien que l’efficacité de la conversion soit généralement faible et que la puissance recueillie soit souvent minuscule (milliwatts ou microwatts), il peut suffire de faire fonctionner ou de recharger de petits périphériques sans fil tels que des capteurs distants. Cette nouvelle technologie est en cours de développement pour éliminer le besoin de remplacer la batterie ou de charger de tels dispositifs sans fil, leur permettant ainsi de fonctionner de manière totalement autonome.