Drahtlose Energieübertragung Stand der Forschung, Applikationen, Trends. Energietag 2016 Andreas Berger

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Matilde Jaeger
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1 Drahtlose Energieübertragung Stand der Forschung, Applikationen, Trends Energietag 2016 Andreas Berger

2 Agenda Induktive Energieübertragung Kapazitive Energieübertragung Energieübertragung via LASER Energieübertragung via Mikrowellen Wardenclyffe Tower (1904) 9/26/2016 2

3 Frequenz und Wellenlängen Bereich 9/26/2016 3

4 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

5 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 9/26/2016 5

zwischen Sender und Empfänger Ermöglicht größere

6 4-Spulen Systeme Driver Loop gut gekoppelt mit Sender Spule Empfänger Spule hohe Kopplung mit Lastspule Geringe Kopplung zwischen Sender und Empfänger Ermöglicht größere Übertragungsdistanzen (<10x Spulendurchmesser) Geringere Effizienz als 2- Spulen Systemen [1] 9/26/2016 6

7 Domino Resonators [2] 9/26/2016 7

8 Wireless Charging für Mobiltelefone Reichweite nur wenige cm Spulenarray für freie Positionierung Leistungen 5-15W Effizienz <80% [3] 9/26/2016 8

9 Medizintechnik - Kunstherz Kunstherz benötigt externe Energieversorgung Offenes Gewebe kann Infektionen verursachen Ersetzen des Kabels durch Drahtlose Energieübertragung [4] 9/26/2016 9

10 Limitierungen und Regulierungen Leistung 30W Übertragungsdistanz 20mm Spulendurchmesser 70mm Limitierung für emittierte elektromagnetische Felder Spezifische Absorptionsrate dt SAR = c i dt < 2 W kg kontinuierliche Gewebeerwärmung <42 C 9/26/ [4,5]

11 E-Bus PRIMOVE in Braunschweig Leergewicht 13t Ladeleistung 200kW Effizienz >90% Batteriekapazität 60kWh 9/26/ [6]

12 Online Electric Vehicle 9/26/ [7]

13 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/

14 Kapazitives Handyladegerät Leistung: 3,7W Arbeitsfrequenz: 4,2MHz Effizienz ~80% Übertragungsdistanz 1mm 9/26/ [8]

15 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/ [1]

16 Anwendungen von LASER WPT [9] 9/26/

17 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/

18 Atmosphärische Dämpfung [9] 9/26/

19 Solar Power Satellit Leistungen bis 2.5GW Geostationärer Orbit (~36000km) ~38km 2 Photovoltaik im All 2km Durchmesser der Sendeantenne im All 3km Durchmesser der Empfangsantenne auf der Erde [10] 9/26/

20 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/

21 Kommerzielle Produkte [11] 9/26/

22 2D Waveguide Power Transfer 4x4mm Waveguide Grid 2.5GHz Sendefrequenz Übertragungsdistanz 4mm geringe Effizienz ~3% (gemittelt über 20x20mm) [12] 9/26/

23 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 9/26/

24 Referenzen [1] [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] [7] [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] [12] Akihito Noda and Hiroyuki Shinoda, Focus Steering in Open-Ended Waveguide Sheet for Efficient and Safe Two-Dimensional Waveguide Power Transfer 9/26/

25 9/26/

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