Draadloze energie overdracht

DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
PROF. DR. IR. HUBREGT J.VISSER
PUBLIC
INHOUD
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Introductie
Vroege Geschiedenis van Draadloze Energie Overdracht
Moderne Geschiedenis van Draadloze Energie Overdracht
Mogelijkheden en Beperkingen
Radiostraling en Gezondheid
Toekomstperspectief
Samenvatting en Conclusies
2
1. INTRODUCTIE
1. INTRODUCTIE
TERMINOLOGIE


Energy Harvesting: Het proces waarin energie afkomstig van
externe bronnen wordt omgezet in bruikbare elektrische
energie.
Energy Harvesting
Draadloze Energie Overdracht: Wireless Power Transfer (WPT)
WPT

Radiative Wireless power Transfer: WPT waarin gebruik
gemaakt wordt van radiogolven
4
inductive
radiative
1. INTRODUCTIE
ENERGY HARVESTING BRONNEN
Beweging
WWII Philips dyno torch
1831 Faraday dynamo
Piezoelectriciteit
Temperatuurverschillen
1880 Curie discovery
of piezoelectricity
RPG7 fuse
1948 USSR oil
lamp powered
radio
1821 Seebeck experiment
Modern dyno torch
Enocean
wireless switch
1977 Voyager 2
Radioisotope
Thermoelectric
Generator
Licht
1954 Bell Labs PV
1839 Becquerel experiment
5
Modern PV
1. INTRODUCTIE
TOEPASSINGEN EN VERMOGENSDICHTHEDEN
TOEPASSINGEN
Vervanging van batterijen of geintegreerde batterijlader in kleine, autonome, draadloze
sensoren
VERMOGENSDICHTHEDEN
Picture source: http://smarthomeenergy.co.uk/what-smart-home
6
1. INTRODUCTIE
INDUCTIEVE ENERGIE OVERDRACHT
+ Hoog vermogen
+ Hoge efficientie
+ Standaard
- Korte afstand
- Standaard
Asus, Blackberry, Broadcom, Dell, Fairchild, Freescale, Hama,
Hitachi, HTC, Huawei, IKEA, Keysight, LG, Microsoft,
Motorola, Nokia, NXP, Omron, Panasonic, Philips, Powercast,
Qualcomm, Ricoh, Samsung, Sony, TDK, TI, Toshiba, Toyota, and
others
Acer, Asus, AT&T, Broadcom, Canon, Deutsche Telekom, Dialog,
Fairchild, Fujitsu, HP, Hitachi, HTC, Intel, Keysight, Lenovo, LG,
Microsoft, Motorola, Nordic, NXP, Omron, Panasonic, P&G,
Qualcomm, Renesas, Rohm, Samsung, Starbucks, Sandisk, Sharp, Sony,
ST, TDK, TI, Toshiba, Witricity, and others
7
1. INTRODUCTIE
RADIO ENERGIE OVERDRACHT
Twee mogelijkheden
Onbedoelde bronnen (GSM, WiFi, Bluetooth, etc): Harvesting
Geen toegang tot bronnen en zendantennes
Bedoelde bronnen: WPT
Toegang tot bronnen en zendantennes
Rekening houden met toegestane zendvermogens
8
2.VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
2.VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
1886: HEINRICH HERTZ REALISEERT HET EERSTE RADIO SYSTEEM
10
2.VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
1894: GUGLIELMO MARCONI REALISEERT HET EERSTE PRAKTISCHE RADIO SYSTEEM
11
2.VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
1901: NIKOLA TESLA BEDENKT DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
12
2.VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
1931: HARRELL NOBLE DEMONSTREERT DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
13



100MHz halve-golf dipolen
Afstand: 5 tot 12m
15kW zendvermogen


Westinghouse laboratories
Gedemonstreerd 1933-1934 op
de Chicago World Fair
3. MODERNE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE
OVERDRACHT
3. MODERNE GESCHIEDENISVAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
1964: WILLIAM BROWN DEMONSTREERT EEN DRAADLOOS GEVOEDE HELIKOPTER
•
5kW, 2.45GHz magnetron
3m diameter parabolische reflector
antenne
9m hoogte
•
•
•
1.5m2 ontvangstantenna
4480 diodes
270W DC vermogen
•
Raytheon Airborne Microwave
Platform (RAMP) project
•
•
15
3. MODERNE GESCHIEDENISVAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT
2016: HOLST CENTRE / IMEC & TU/E
2016
2014
2013
2009
2017
2013
2011
2015
2007
16
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
VERMOGENSAFNAME
Radiogolven breiden zich sferisch uit.
Voor elke verdubbeling van de afstand neemt de
vermogensdichtheid [W/m2] met een factor 4 af.
PT
Beperkingen worden niet direct aan het
zendvermogen gesteld, maar aan het zendvermogen
en de antenna: EIRP
Voor GSM: 0.003 W/m2 (0.3 W/cm2)
Voor een 4W (EIRP) bron op 5 m afstand: 0.013 W/m2 (1.3 W/cm2)
18
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
TE VERWACHTEN ONTVANGEN VERMOGEN
De ontvangstantenne bepaalt mede het ontvangen vermogen.
PT
PR
Voorbeeld: 4W EIRP op 5 m afstand
Patch antenne, 6 cm x 6 cm, 2.4 GHz
r
Vermogen op antenne: 58 W
19
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
DE RECTENNA (RECTIFYING ANTENNA)
20
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
VERHOGEN VAN DE SPANNING
Resonant grid met diodes
21
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
RESONANT DIODE GRID
22
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
POWER MANAGEMENT
•
•
30 W DC continu op 10 m afstand (3W EIRP bron)
60 mW DC gedurende 40 ms, elke 2 minuten, op 10 m afstand (3W EIRP bron)
23
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
RECTENNA DEMO
24
5. RADIOSTRALING EN GEZONDHEID
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
VERWARMING
•
Tot 750 THz (UV) is radiostraling niet-ionizerend;
•
Het menselijk lichaam kan tot 4 W/kg aan;
•
Lichaamsdelen tot 80 W/kg;
•
Stralingslimieten gaan uit van 6 minuten blootstelling
en een veiligheidsmarge van 10;
•
Voor 2-300 GHz: 10 W/m2.
26
4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN
LANGE-TERMIJN EFFECTEN
Group1:The agent is carcinogenic to humans.
Group 2A: The agent is probably carcinogenic to humans.
Group 2B:The agent is possibly carcinogenic to humans.
Group3:The agent is not classifiable as to its carcinogenicity to humans.
Group 4: The agent is probably not carcinogenic to humans.
27
6. TOEKOMSTPERSPECTIEF
5. TOEKOMSTPERSPECTIEF
RECTENNA MINIATURISATIE EN INTEGRATIE
29
6. SAMENVATTING EN CONCLUSIES
5. SAMENVATTING EN CONCLUSIES
1. Voor praktische radio-WPT zijn het opwekken van voldoende spanning en vermogen
een uitdaging;
2. Het is realiseerbaar met een grote ontvangstantenne;
3. Voor een kleine ontvangstantenne is een voltage boost nodig;
4. Door zorgvuldig co-ontwerp van antenne en gelijkrichter wordt praktische radio-WPT
mogelijk;
5. Periodieke belasting maakt radio-WPT over afstanden groter dan 10 meter mogelijk.
31
PUBLIC