Drahtlose Energieübertragung Stand der Forschung, Applikationen, TrendsEnergietag 2016Andreas Berger

Agenda

› Induktive Energieübertragung

› Kapazitive Energieübertragung

› Energieübertragung via LASER

› Energieübertragung via Mikrowellen

29/26/2016

Wardenclyffe Tower (1904)

Frequenz und Wellenlängen Bereich

39/26/2016

Induktive Energieübertragung

› Basierend auf dem Induktionsgesetz

› Hohe Effizienz möglich (>90%)

› Übertragungsdistanz abhängig vom Durchmesser der Spulen (<1x Spulendurchmesser)

› Großes Spektrum an Leistungen realisierbar (mW –kW)

9/26/2016 4

Magnetic Inductance vs Magnetic Resonance

› Frequenzen: kHz vs. MHz

› Qualitätsfaktor: ~50 vs. > 100

› Resonanzkreis: Diskrete Komponenten vs. Parasitäre Kapazität

› Arbeitsfrequenz: größer Resonanz vs. gleich Resonanz

59/26/2016

4-Spulen Systeme

› Ermöglicht größere Übertragungsdistanzen (<10x Spulendurchmesser)

› Geringere Effizienz als 2-Spulen Systemen

69/26/2016

[1]

› Driver Loop gut gekoppelt mit Sender Spule

› Empfänger Spule hohe Kopplung mit Lastspule

› Geringe Kopplung zwischen Sender und Empfänger

Domino Resonators [2]

9/26/2016 7

Wireless Charging für Mobiltelefone

› Reichweite nur wenige cm

› Spulenarray für freie Positionierung

› Leistungen 5-15W

› Effizienz <80%

89/26/2016

[3]

Medizintechnik - Kunstherz

› Kunstherz benötigt externe Energieversorgung

› Offenes Gewebe kann Infektionen verursachen

› Ersetzen des Kabels durch Drahtlose Energieübertragung

[4]

9/26/2016 9

Limitierungen und Regulierungen

› Leistung 30W

› Übertragungsdistanz 20mm

› Spulendurchmesser 70mm

› Limitierung für emittierte elektromagnetische Felder

› Spezifische Absorptionsrate

› kontinuierliche Gewebeerwärmung <42°C

𝑆𝐴𝑅 = 𝑐𝑖𝑑𝑇

𝑑𝑡< 2 ൗ𝑊

𝑘𝑔

[4,5]

9/26/2016 10

E-Bus PRIMOVE in Braunschweig

› Leergewicht 13t

› Ladeleistung 200kW

› Effizienz >90%

› Batteriekapazität 60kWh

119/26/2016

[6]

Online Electric Vehicle

129/26/2016

[7]

Kapazitive Energieübertragung

› Basierend auf dem Verschiebungsstrom

› Hohe Effizienz möglich (>90%)

› Nur für geringe Übertragungsdistanzen geeignet (<1cm)

› Felder sind zwischen den Elektroden konzentriert

› Benötigt große Elektroden (Fläche)

9/26/2016 13

Kapazitives Handyladegerät

› Leistung: 3,7W

› Arbeitsfrequenz: 4,2MHz

› Effizienz ~80%

› Übertragungsdistanz 1mm

9/26/2016 14

[8]

Energieübertragung via LASER

› Basierend auf dem fotovoltaischen Effekt

› LASER wandelt elektrische Energie in elektromagnetische Wellen (Licht)

› Solarzelle wandelt diese zurück zu elektrischer Energie

› Hohe Energiedichte und gute Fokusierbarkeit

› Große Übertragungsdistanzen möglich (>100km)

› Geringe Effizienz (<30%)

9/26/2016 15

[1]

Anwendungen von LASER WPT

[9]

9/26/2016 16

Energieübertragung via Mikrowellen

› Senderantenne wandelt elektrische Energie in Mikrowellen

› Empfangsantenne wandelt diese zurück in elektrische Energie

› Mittlere Effizienz (<50%)

› Große Übertragungsdistanzen möglich (>100km)

› Benötigt große Empfängerantenne für höhere Leistungen

9/26/2016 17

Atmosphärische Dämpfung

[9]

9/26/2016 18

› Leistungen bis 2.5GW

› Geostationärer Orbit (~36000km)

› ~38km2 Photovoltaik im All

› 2km Durchmesser der Sendeantenne im All

› 3km Durchmesser der Empfangsantenne auf der Erde

[10]

Solar Power Satellit

9/26/2016 19

Zeitlich invertierte elektromagnetische Wellenausbreitung

› Basiert auf dem Prinzip der Mehrwegeausbreitung

› Arbeitet im unteren GHz Bereich

› Geringe Effizienz (<10%)

› Kleine Leistungen (<1W)

› Mittlere Übertragungsdistanzen möglich (<10m)

› Hohe Bewegungsfreiheit

[11]

9/26/2016 20

Kommerzielle Produkte

[11]

9/26/2016 21

2D Waveguide Power Transfer

› 4x4mm Waveguide Grid

› 2.5GHz Sendefrequenz

› Übertragungsdistanz 4mm

› geringe Effizienz ~3% (gemittelt über 20x20mm)

[12]

9/26/2016 22

Zusammenfassung

› Induktive Energieübertragung

– Hohe Effizienz bei geringen Übertragungsdistanzen

– Großes Leistungsspektrum (mW - kW)

› Kapazitive Energieübertragung

– Geringe Übertragungsdistanzen (mm) und großer Flächenbedarf

– Gute Effizienz und großes Leistungsspektrum (mW – kW)

› Energieübertragung via LASER

– Große Übertragungsdistanzen (km) bei geringer Effizienz

› Energieübertragung via Mikrowellen

– Große Übertragungsdistanzen (km) bei geringer Effizienz

239/26/2016

Referenzen

› [1] http://www.wikipedia.org

› [2] Xuezhe Wei, Zhenshi Wang and Haifeng Dai, A Critical Review of Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances

› [3] Hui, S. Y., Technology for Portable Electronic Products and Qi

› [4] Knecht, O., Bosshard, R., Kolar, J. W., Starck, C. T., Optimization of Transcutaneous Energy Transfer coils for high power medical applications

› [5] International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300GHz)

› [6] http://primove.bombardier.com/

› [7] http://olev.kaist.ac.kr/en/

› [8] Mitchell Kline, Igor Izyumin, Bernhard Boser, and Seth Sanders, Capacitive Power Transfer for Contactless Charging

› [9] Leopold Summerer, Oisin Purcell, Concepts for wireless energy transmission via laser

› [10] P. Glaser, Power from the Sun: Its Future

› [11] http://www.ossia.com/

› [12] Akihito Noda and Hiroyuki Shinoda, Focus Steering in Open-Ended Waveguide Sheet for Efficient and Safe Two-Dimensional Waveguide Power Transfer

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