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Drahtlose Energieübertragung Stand der Forschung, Applikationen, TrendsEnergietag 2016Andreas Berger
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Agenda
› Induktive Energieübertragung
› Kapazitive Energieübertragung
› Energieübertragung via LASER
› Energieübertragung via Mikrowellen
29/26/2016
Wardenclyffe Tower (1904)
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Frequenz und Wellenlängen Bereich
39/26/2016
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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
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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
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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
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Domino Resonators [2]
9/26/2016 7
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Wireless Charging für Mobiltelefone
› Reichweite nur wenige cm
› Spulenarray für freie Positionierung
› Leistungen 5-15W
› Effizienz <80%
89/26/2016
[3]
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Medizintechnik - Kunstherz
› Kunstherz benötigt externe Energieversorgung
› Offenes Gewebe kann Infektionen verursachen
› Ersetzen des Kabels durch Drahtlose Energieübertragung
[4]
9/26/2016 9
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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
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E-Bus PRIMOVE in Braunschweig
› Leergewicht 13t
› Ladeleistung 200kW
› Effizienz >90%
› Batteriekapazität 60kWh
119/26/2016
[6]
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Online Electric Vehicle
129/26/2016
[7]
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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
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Kapazitives Handyladegerät
› Leistung: 3,7W
› Arbeitsfrequenz: 4,2MHz
› Effizienz ~80%
› Übertragungsdistanz 1mm
9/26/2016 14
[8]
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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]
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Anwendungen von LASER WPT
[9]
9/26/2016 16
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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
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Atmosphärische Dämpfung
[9]
9/26/2016 18
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› 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
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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
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Kommerzielle Produkte
[11]
9/26/2016 21
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2D Waveguide Power Transfer
› 4x4mm Waveguide Grid
› 2.5GHz Sendefrequenz
› Übertragungsdistanz 4mm
› geringe Effizienz ~3% (gemittelt über 20x20mm)
[12]
9/26/2016 22
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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
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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
9/26/2016 24
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