वायरलेस चार्जर नेटवर्किंग: मूलभूत सिद्धांत, मानक और अनुप्रयोग

विषय-सूची

1. परिचय

वायरलेस चार्जिंग तकनीक भौतिक कनेक्टर्स के बिना एक स्रोत से मोबाइल उपकरण तक विद्युत शक्ति के स्थानांतरण को सक्षम बनाती है। यह उपयोगकर्ता की सुविधा में सुधार, उपकरण की स्थायित्व में वृद्धि (जैसे, वाटरप्रूफिंग), दुर्गम उपकरणों (जैसे, इम्प्लांट्स) के लिए लचीलापन और ओवरचार्जिंग को रोकने के लिए ऑन-डिमांड पावर डिलीवरी सहित महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है। अनुमान है कि यह बाजार 2016 तक 4.5 बिलियन डॉलर और 2020 तक 15 बिलियन डॉलर तक काफी बढ़ जाएगा। यह लेख मूलभूत सिद्धांतों की खोज करता है, प्रमुख मानकों की समीक्षा करता है और एक नवीन अवधारणा का परिचय देता है: वायरलेस चार्जर नेटवर्किंग।

2. वायरलेस चार्जिंग तकनीक का अवलोकन

इस अवधारणा की शुरुआत 19वीं सदी के अंत और 20वीं सदी की शुरुआत में निकोला टेस्ला के प्रयोगों से हुई थी। आधुनिक विकास मैग्नेट्रॉन और रेक्टेना जैसे आविष्कारों से प्रेरित हुआ, जिसने माइक्रोवेव पावर ट्रांसफर को सक्षम बनाया। हालिया प्रगति उद्योग संघों द्वारा अंतरराष्ट्रीय मानक स्थापित करने से प्रेरित रही है।

2.1 वायरलेस चार्जिंग तकनीकें

पेपर तीन प्राथमिक तकनीकों पर चर्चा करता है: चुंबकीय प्रेरण, चुंबकीय अनुनाद और रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) विकिरण। क्यूआई मानक में उपयोग की जाने वाली चुंबकीय प्रेरण, कम दूरी (कुछ मिलीमीटर) पर कुशल है। ए4डब्ल्यूपी द्वारा पसंद किया जाने वाला चुंबकीय अनुनाद, अधिक स्थानिक स्वतंत्रता और एकाधिक उपकरण चार्जिंग की अनुमति देता है। आरएफ-आधारित चार्जिंग लंबी रेंज प्रदान करती है लेकिन आमतौर पर कम दक्षता के साथ, जो कम-शक्ति वाले उपकरणों के लिए उपयुक्त है।

3. वायरलेस चार्जिंग मानक

अंतरसंचालनीयता और बाजार अपनाने के लिए मानकीकरण महत्वपूर्ण है। दो प्रमुख मानकों का विश्लेषण किया गया है।

3.1 क्यूआई मानक

वायरलेस पावर कंसोर्टियम (डब्ल्यूपीसी) द्वारा विकसित, क्यूआई इंडक्टिव चार्जिंग के लिए सबसे व्यापक रूप से अपनाया गया मानक है। यह 110-205 किलोहर्ट्ज़ के बीच की आवृत्तियों पर काम करता है। इसका संचार प्रोटोकॉल पहचान, नियंत्रण और सुरक्षा (जैसे, विदेशी वस्तु का पता लगाना) के लिए डिवाइस और चार्जर के बीच डेटा का आदान-प्रदान करने के लिए लोड मॉड्यूलेशन का उपयोग करता है।

3.2 एलायंस फॉर वायरलेस पावर (A4WP)

ए4डब्ल्यूपी (अब एयरफ्यूल एलायंस का हिस्सा) चुंबकीय अनुनाद तकनीक का उपयोग करता है। यह 6.78 मेगाहर्ट्ज़ पर काम करता है, जो अधिक स्थानिक स्वतंत्रता (ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज मिसअलाइनमेंट) और एकाधिक उपकरणों के एक साथ चार्जिंग की अनुमति देता है। इसका संचार प्रोटोकॉल ब्लूटूथ लो एनर्जी (बीएलई) पर आधारित है, जो अधिक परिष्कृत डेटा एक्सचेंज और नेटवर्क एकीकरण को सक्षम बनाता है।

4. वायरलेस चार्जर नेटवर्किंग

पेपर का मुख्य योगदान आपस में जुड़े वायरलेस चार्जरों के एक नेटवर्क का प्रस्ताव रखना है।

4.1 अवधारणा और आर्किटेक्चर

वायरलेस चार्जर नेटवर्किंग (डब्ल्यूसीएन) में व्यक्तिगत चार्जरों को एक बैकबोन नेटवर्क (जैसे, ईथरनेट, वाई-फाई) के माध्यम से जोड़ना शामिल है। यह नेटवर्क केंद्रीकृत सूचना संग्रह (चार्जर स्थिति, स्थान, उपयोग) और नियंत्रण (शेड्यूलिंग, पावर प्रबंधन) को सुविधाजनक बनाता है। यह अलग-थलग चार्जिंग पॉइंट्स को एक बुद्धिमान बुनियादी ढांचे में बदल देता है।

4.2 उपयोगकर्ता-चार्जर असाइनमेंट समस्या

पेपर एक उपयोगकर्ता-चार्जर असाइनमेंट ऑप्टिमाइजेशन समस्या के माध्यम से डब्ल्यूसीएन की उपयोगिता प्रदर्शित करता है। जब किसी उपयोगकर्ता को चार्ज करने की आवश्यकता होती है, तो नेटवर्क निकटता, प्रतीक्षा समय, या ऊर्जा लागत जैसे मानदंडों के आधार पर उपलब्ध "सर्वोत्तम" चार्जर की पहचान कर सकता है, जिससे उपयोगकर्ता की कुल लागत (जैसे, समय + मौद्रिक लागत) को कम किया जा सके। इसके लिए चार्जर नेटवर्क से रियल-टाइम डेटा की आवश्यकता होती है।

5. मूल अंतर्दृष्टि और विश्लेषक का परिप्रेक्ष्य

6. तकनीकी विवरण और गणितीय ढांचा

ए4डब्ल्यूपी के केंद्रीय चुंबकीय अनुनाद युग्मन की दक्षता को मॉडल किया जा सकता है। दो अनुनादी कॉइल्स के बीच शक्ति स्थानांतरण दक्षता ($\eta$) युग्मन गुणांक ($k$) और कॉइल्स के गुणवत्ता कारकों ($Q_1$, $Q_2$) का एक फलन है:

$$\eta = \frac{k^2 Q_1 Q_2}{1 + k^2 Q_1 Q_2}$$

जहां $k$ कॉइल्स के बीच की दूरी और संरेखण पर निर्भर करता है। उपयोगकर्ता-चार्जर असाइनमेंट समस्या को एक अनुकूलन के रूप में तैयार किया जा सकता है। मान लीजिए $U$ उपयोगकर्ताओं का समुच्चय है और $C$ चार्जरों का समुच्चय है। उपयोगकर्ता $u_i$ द्वारा चार्जर $c_j$ का उपयोग करने की लागत $w_{ij}$ है, जो दूरी ($d_{ij}$), प्रतीक्षा समय ($t_j$), और मूल्य ($p_j$) को जोड़ सकती है:

$$w_{ij} = \alpha \cdot d_{ij} + \beta \cdot t_j + \gamma \cdot p_j$$

जहां $\alpha, \beta, \gamma$ भार कारक हैं। उद्देश्य एक असाइनमेंट मैट्रिक्स $X$ ढूंढना है (जहां $x_{ij}=1$ यदि $u_i$ को $c_j$ सौंपा गया है) जो कुल लागत को कम करता है:

$$\text{न्यूनतम करें: } \sum_{i \in U} \sum_{j \in C} w_{ij} \cdot x_{ij}$$

इस शर्त के अधीन कि प्रत्येक उपयोगकर्ता एक उपलब्ध चार्जर को सौंपा गया है।

7. प्रायोगिक परिणाम और चार्ट विवरण

हालांकि समीक्षित पीडीएफ में स्पष्ट प्रायोगिक डेटा चार्ट शामिल नहीं हैं, वर्णित उपयोगकर्ता-चार्जर असाइनमेंट ढांचा निम्नलिखित मापने योग्य परिणामों का संकेत देता है जो आमतौर पर प्रस्तुत किए जाएंगे:

• चार्ट 1: लागत में कमी बनाम नेटवर्क घनत्व: एक लाइन ग्राफ जो औसत उपयोगकर्ता लागत (जैसे, समय+मूल्य) में प्रतिशत कमी को दर्शाता है क्योंकि प्रति इकाई क्षेत्र में नेटवर्क चार्जरों की संख्या बढ़ती है। वक्र एक महत्वपूर्ण घनत्व तक पहुंचने के बाद घटते प्रतिफल दिखाएगा।
• चार्ट 2: मानक तुलना: एक बार चार्ट जो क्यूआई (इंडक्टिव) और ए4डब्ल्यूपी (रिजोनेंट) मानकों की प्रमुख मेट्रिक्स में तुलना करता है: दूरी बनाम दक्षता, स्थानिक स्वतंत्रता (मिसअलाइनमेंट सहनशीलता की डिग्री), मल्टी-डिवाइस चार्जिंग क्षमता, और संचार प्रोटोकॉल जटिलता (बीएलई बनाम लोड मॉड्यूलेशन)।
• चार्ट 3: नेटवर्क उपयोग: एक फ्लोर प्लान पर एक हीट मैप ओवरले जो समय के साथ विभिन्न नेटवर्क चार्जरों के उपयोग आवृत्ति को दर्शाता है, लोड बैलेंसिंग क्षमता का प्रदर्शन करता है।

दावा किया गया मुख्य परिणाम यह है कि डब्ल्यूसीएन एक एड-हॉक, गैर-नेटवर्क खोज की तुलना में उपयोगकर्ता-चार्जर असाइनमेंट समस्या के लिए लागत को कम करता है।

8. विश्लेषण ढांचा: उपयोगकर्ता-चार्जर असाइनमेंट केस

परिदृश्य: 4 नेटवर्क वायरलेस चार्जर (C1-C4) और कम-बैटरी वाले उपकरणों वाले 3 ग्राहकों (U1-U3) के साथ एक कॉफी शॉप।

गैर-नेटवर्क (वर्तमान स्थिति): प्रत्येक उपयोगकर्ता दृष्टि से एक खाली चार्जर की तलाश करता है। U1, C1 चुनता है। U2 देखता है कि C1 लिया गया है, C2 चुनता है। U3 आता है, केवल C3 और C4 मुक्त पाता है, नजदीक वाला (C3) चुनता है। यदि कतारें बनती हैं तो यह उप-इष्टतम लोड वितरण और उच्च सामूहिक प्रतीक्षा समय की ओर ले जाता है।

नेटवर्क (डब्ल्यूसीएन प्रस्तावित स्थिति):

1. सभी चार्जर स्थिति ("मुक्त", "चार्जिंग", "त्रुटि") और स्थान एक केंद्रीय सर्वर को रिपोर्ट करते हैं।
2. U1 का डिवाइस एक चार्जिंग अनुरोध भेजता है। सर्वर लागत न्यूनीकरण एल्गोरिदम चलाता है। C1 सौंपा जाता है (न्यूनतम संयुक्त दूरी/प्रतीक्षा लागत)।
3. U2 अनुरोध करता है। C1 अब व्यस्त है। एल्गोरिदम C3 (C2 नहीं) सौंपता है क्योंकि, थोड़ा दूर होने के बावजूद, ऐतिहासिक डेटा के आधार पर C2 की भविष्य की मांग अधिक अनुमानित है, और U2 को C3 सौंपने से U3 के आसन्न आगमन के लिए सिस्टम लोड बेहतर ढंग से संतुलित होता है।
4. U3 अनुरोध करता है और निर्बाध रूप से C2 सौंपा जाता है। कुल सिस्टम लागत (सभी उपयोगकर्ताओं की $w_{ij}$ का योग) एड-हॉक केस की तुलना में कम है।

यह सरल केस प्रदर्शित करता है कि कैसे डब्ल्यूसीएन अनुकूलन को व्यक्तिगत से सिस्टम स्तर पर स्थानांतरित करता है।

9. भविष्य के अनुप्रयोग और विकास दिशाएं

• डायनामिक इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी) चार्जिंग: डब्ल्यूसीएन सिद्धांत ईवी के लिए स्थिर और गतिशील (गति में) वायरलेस चार्जिंग के लिए सीधे स्केलेबल हैं, ग्रिड लोड का प्रबंधन और चार्जिंग लेन शेड्यूलिंग करते हैं।
• आईओटी और स्मार्ट वातावरण: स्मार्ट घरों, कारखानों और शहरों में सेंसर, टैग और एक्चुएटर्स के लिए सर्वव्यापी वायरलेस पावर, नेटवर्क ऊर्जा संचयन शेड्यूल का प्रबंधन करता है।
• 5जी/6जी और एज कंप्यूटिंग के साथ एकीकरण: चार्जर एज कंप्यूटिंग नोड्स बन जाते हैं। नेटवर्क किसी डिवाइस से कंप्यूटेशन को उसे चार्ज करते हुए ऑफलोड कर सकता है, या स्थान-आधारित सेवाओं के लिए डिवाइस उपस्थिति डेटा का उपयोग कर सकता है।
• पीयर-टू-पीयर ऊर्जा साझाकरण: अतिरिक्त बैटरी वाले उपकरण (जैसे, ड्रोन) एक डब्ल्यूसीएन के भीतर अन्य उपकरणों को वायरलेस रूप से ऊर्जा स्थानांतरित कर सकते हैं, एक सूक्ष्म ऊर्जा-साझाकरण अर्थव्यवस्था बना सकते हैं।
• प्रमुख शोध दिशाएं: डब्ल्यूसीएन संचार परत का मानकीकरण; नेटवर्क को क्वेरी करने के लिए उपकरणों के लिए अल्ट्रा-लो-पावर "वेक-अप" रेडियो विकसित करना; मजबूत सुरक्षा और गोपनीयता ढांचे बनाना; और सार्वजनिक डब्ल्यूसीएन तैनाती के लिए व्यापार मॉडल डिजाइन करना।

10. संदर्भ

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6. Zhu, Q., Wang, L., & Liao, C. (2019). Wireless Power Transfer: Principles, Standards, and Applications. Springer. (व्यापक पाठ्यपुस्तक)।
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