Drahtlose Energieübertragung

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Bei der drahtlosen Energieübertragung (auch kontaktlose Energieübertragung, kabellose Leistungsübertragung oder kontaktlose Leistungsübertragung) wird Energie von einem Objekt auf ein anderes übertragen. Hierbei kann es sich um verschiedenste Energieformen handeln, z. B. um kinetische- oder elektrische Energie. Im Allgemeinen wird darunter ein elektrischer Aufbau verstanden, dem die zum Betrieb notwendige elektrische Energie nicht über Kabel und elektrische Kontakte zugeführt wird, sondern durch Nutzung von elektromagnetischen Feldern oder anderen physikalischen Wirkprinzipien. Die Vorteile sind unter anderem eine höhere Mobilität und keine elektrischen Kontaktprobleme. Darüber hinaus wird dadurch ein wasserdichter Aufbau der Komponenten ermöglicht.

Die gebräuchlichsten englischen Begriffe sind wireless power (power transmission, power transfer), contactless power (power transmission, power transfer), wireless energy (energy transmission, energy transfer) oder contactless energy (energy transmission, energy transfer). Am weitesten verbreitet ist die Methode der induktiven Energieübertragung. Häufig wird drahtlose Energieübertragung synonym für induktive Energieübertragung verwendet.

Anwendung[Bearbeiten]

Für viele Anwendungen ist eine drahtlose Energieübertragung technisch noch nicht realisierbar. Vor allem Anwendungen mit den folgenden Randbedingungen sind geeignet:

  • geringer Abstand zwischen Energiesender und Empfänger
  • niedriger Energieverbrauch
  • lange Ladezeit mit kurzer Betriebszeit

Betrachtet man die Verbreitung der drahtlosen Energieübertragung anhand der verwendeten Wirkprinzipien, stellt man fest, dass die meisten Anwendungen auf dem Prinzip der induktiven Energieübertragung basieren. Hier gibt es zum Teil schon seit längerem kommerziell verfügbare Produkte. Die anderen Prinzipien sind weniger verbreitet und die Anwendungen befinden sich größtenteils im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium oder frühem Produktstadium. Im folgenden werden einige Anwendungen aufgelistet:

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Induktive Energieübertragung[Bearbeiten]

Unterhaltungselektronik

Industrie

Verkehr

Medizin

Kapazitive Energieübertragung[Bearbeiten]

  • Laden von Mobilgeräten

Elektromagnetische Energieübertragung[Bearbeiten]

  • RFID-Geräte
  • Passive Radioempfänger (Detektor-Empfänger)
  • Dekorative Beleuchtung, z. B. Weihnachtsbaumbeleuchtung

Wirkprinzipen[Bearbeiten]

Es gibt verschiedene Wirkprinzipen, die zur kontaktlosen Energieübertragung genutzt werden können. Die wichtigsten sind:

Induktive Energieübertragung[Bearbeiten]

Induktive Energieübertragung ist die am weitesten verbreitete Methode zur kontaktlosen Energieübertragung. Häufig wird der Begriff „kontaktlose Energieübertragung“ synonym für „induktive Energieübertragung“ verwendet.

Prinzip[Bearbeiten]

Zur induktiven Energieübertragung wird im Transmitter (Sender, Generator) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dies erfolgt mit Hilfe einer Spule (Transmitterspule), die von einem Wechselstrom durchflossen ist. Der Empfänger (engl. receiver) enthält ebenfalls eine Spule. Diese wird von einem Teil des magnetischen Wechselfelds durchdrungen. Dadurch wird in der Empfängerspule eine Spannung induziert. Wenn an der Spule eine elektrische Last angeschlossen wird, kommt es aufgrund der induzierten Spannung zum Stromfluss durch die Last und es wird Leistung übertragen. Das Wirkprinzip entspricht dem eines Transformators mit schwacher Kopplung der Spulen.

Frequenzbereich[Bearbeiten]

Der verwendete Frequenzbereich reicht von einigen 10 kHz bis in den MHz-Bereich hinein. In diesem Frequenzbereich spielt die Ausbreitung als elektromagnetische Welle keine Rolle für die Anwendung. Der Empfänger befindet sich im magnetischen Nahfeld des Transmitters und die Berechnungen erfolgen unter der Annahme eines quasistatischen Magnetfeldes.

Resonanzbetrieb[Bearbeiten]

Üblicherweise verwendet man im Empfänger und im Transmitter Resonanzkondensatoren, die mit den Spulen Resonanzkreise (oder auch Schwingkreise) bilden. Es entstehen unterschiedliche Resonanzen, die je nach Abstimmung unterschiedlich genutzt werden können um

  • die übertragene Leistung zu maximieren,
  • die Effizienz der Leistungsübertragung zu optimieren,
  • durch Frequenzvariation die übertragene Leistung einzustellen,
  • die Last-Charakteristik der übertragenen Leistung dem Bedarf anzupassen,
  • Variationen der magnetischen Kopplung zu kompensieren,
  • die Impedanz der Transmitterspule an die Anforderungen des Wechselstrom-Generators anzupassen,
  • den Magnetisierungsstrom der Transmitterspule zu kompensieren, um Verluste im Generator zu reduzieren,
  • eine Filterwirkung zu erzielen, um höhere Frequenzanteile des Generators zu unterdrücken.

Häufig schließen sich die unterschiedlichen Anforderungen gegenseitig aus, sodass fast immer ein Kompromiss bei den Resonanzeigenschaften notwendig ist.

Der Begriff „resonante Energieübertragung“ (engl. resonant power transmission) beschreibt Systeme, die Resonanzen aus dem erstgenannten Grund verwenden. Dies ist insbesondere bei größeren Abständen sinnvoll, wie vor über 120 Jahren schon Nikola Tesla gezeigt hat. Das Wirkprinzip der „resonanten Energieübertragung“ unterscheidet sich in keiner Weise von dem der induktiven Energieübertragung, wie sie hier beschrieben wird. Lediglich die Wortwahl weicht von der allgemein üblichen ab.

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Verluste treten im Normalbetrieb ausschließlich in den Spulen als Leitungsverluste und gegebenenfalls in Abschirmmaterial als Wirbelstromverluste und Ummagnetisierungsverluste auf. Weiterhin entstehen Verluste, wie in jedem leistungselektronischen System, im Generator des Transmitters und im Gleichrichter des Empfängers. Abstrahlverluste des Magnetfeldes sind vernachlässigbar. Im Fehlerfall können in metallischen oder weichmagnetischen Objekten Verluste induziert werden. Ein guter Wirkungsgrad von über 50 % ist auch im resonanten Betrieb nur möglich, wenn Transmitter und Empfänger nicht zu weit voneinander entfernt sind. Als Faustformel gilt, dass der Abstand unter dem ein- bis zweifachen Wert des Durchmessers der größeren Spule bleiben sollte. Weiterhin sollte der Größenunterschied der beiden Spulen nicht wesentlich mehr als Faktor 3 bis 4 betragen [1]. Der Wirkungsgrad typischer Systeme von Spule zu Spule reicht von 60 % bis 70 % für einfache Systeme geringer Leistung bis 97 % bei 10 kW und 15 cm Abstand und ca. 50 cm Spulendurchmesser.

Weitere technische Details sind unter induktive Energieübertragung zu finden.

Kapazitive Energieübertragung[Bearbeiten]

Prinzip[Bearbeiten]

Ein System zur kapazitiven Energieübertragung besteht aus den folgenden Komponenten: Zwei elektrisch leitfähigen Flächen bilden Transmitterelektroden. Die Flächen sind nebeneinander (ko-planar) angeordnet und haben normalerweise an der Oberfläche eine elektrische Isolierschicht. An diesen Elektroden wird ein elektrisches Wechselpotential angelegt, wobei das Potential der beiden Elektroden jeweils unterschiedliche Polarität aufweist. Der Empfänger enthält zwei entsprechende Elektroden, die jeweils Fläche an Fläche in die Nähe der Transmitterelektroden gebracht werden. Dabei bleiben die Empfängerelektroden aber von den Transmitterelektroden elektrische isoliert. Jeweils eine Transmitter- und eine Empfängerelektrode bilden so jeweils einen Flächenkondensator. Wenn die beiden Empfängerelektroden durch eine elektrische Last verbunden werden, bildet sich so ein Stromkreis, der aus einer Reihenschaltung den beiden Flächenkondensatoren und der Last besteht. Wegen des elektrischen Wechselpotentials kann nun ein Wechselstrom fließen und es wird Leistung übertragen.

Im Bereich der Datenübertragung und geringer Leistung gibt es Systeme mit nur einer expliziten Transmitter- und Empfängerelektrode. Der Stromkreis wird hierbei über die elektrischen Streufelder zwischen Transmitter und Empfänger geschlossen, dabei noch bestenfalls über die Streufelder zwischen den jeweiligen Masse-Flächen.

Frequenzbereich[Bearbeiten]

Der üblicherweise verwendete Frequenzbereich reicht von einigen 100 kHz bis in den MHz-Bereich. In diesem Frequenzbereich spielt die Ausbreitung als elektromagnetische Welle keine Rolle für die Anwendung und die Berechnungen erfolgen unter der Annahme eines quasistatischen elektrischen Feldes sowie von konzentrierten Ersatz-Bauelementen.

Resonanzbetrieb[Bearbeiten]

Üblicherweise verwendet man im Empfänger oder im Transmitter ein oder mehrere Resonanzspulen, die mit den Flächenkondensatoren einen Resonanzkreis (bzw. Schwingkreis)bilden. Je nach Abstimmung kann der der Resonanzkreis genutzt werden um:

  • die übertragene Leistung zu maximieren,
  • durch Frequenzvariation die übertragene Leistung einzustellen,
  • die Last-Charakteristik der übertragenen Leistung dem Bedarf anzupassen,
  • die Impedanz der Transmitterspule an die Anforderungen des Wechselstrom-Generators anzupassen,
  • eine Filterwirkung zu erzielen, um höhere Frequenzanteile des Generators zu unterdrücken.

Meistens steht die Maximierung der übertragenen Leistung im Vordergrund. In der Resonanzfrequenz kompensiert die Spule den komplexen Widerstand der beiden Kondensatoren und ermöglicht so eine Leistungsübertragung mit wesentlich geringerer Generatorspannung. Eine Steigerung des Wirkungsgrades durch Resonanzen ist nur durch eventuelle Effekte zweiter Ordnung möglich.

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Verluste treten auf in den Zuleitungen und Elektroden als ohmsche Verluste, in der Isolierschicht als dielektrische Verluste und im Resonanzbetrieb in der Resonanzspule. Bei Verwendung von gut leitenden Elektroden und einem verlustarmen Dielektrikum kann ein Wirkungsgrad über 90 % erzielt werden.

Elektromagnetische Energieübertragung[Bearbeiten]

Prinzip[Bearbeiten]

Zur elektromagnetischen Energieübertragung werden elektromagnetische Wellen verwendet. Das Prinzip entspricht der Übertragung von Radiosignalen. Die Entfernung zwischen Transmitter und Empfänger ist groß genug, dass die Welleneigenschaften der elektromagnetischen Felder relevant sind und genutzt werden können. Als Transmitter ebenso als Empfänger werden Antennen wie Dipole oder andere Antennentypen, insbesondere mit Richtwirkung, verwendet.

Frequenzbereich[Bearbeiten]

Es werden Frequenzen im oberen 100-MHz- bis GHz-Bereich verwendet. Einige Systeme verwenden dieselben Frequenzbereiche wie die GSM Mobilfunktechnik und benutzt kompatible Sender und Empfänger, allerdings auf geringere Entfernung als zur Kommunikation.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Anders als bei quasistatischen induktiven und kapazitiven Systemen treten hier echte Abstrahlungsverluste auf. Die erzeugten elektromagnetischen Wellen breiten sich von der Quelle aus und tragen Energie mit sich. Wellenanteile, die nicht vom Empfänger genutzt werden, gehen verloren. Dadurch sind insbesondere Transmittersysteme ohne Richtwirkung sehr ineffizient. Des Weiteren ist die Erzeugung der vergleichsweise hohen Frequenzen im Transmitter und die Gleichrichtung im Empfänger ineffizienter als bei niedrigen Frequenzen wie bei den quasistatischen Systemen. Durch Richtwirkung können jedoch größere Entfernungen als bei den quasistatischen Systemen von einigen Metern überbrückt werden, wobei dann die Effizienz (auf niedrigem Niveau) besser ist. Gegenstände innerhalb des Übertragungsweges können dann jedoch eine starke Dämpfung verursachen und die Leistungsübertragung zunichtemachen.

Energieübertragung mittels Laser[Bearbeiten]

Prinzip[Bearbeiten]

Zur Energieübertragung wird ein gerichteter Laserstrahl, vorzugsweise im Infrarotbereich, verwendet. Dazu wird ein Infrarot-Laser verwendet. Der Laserstrahl wird auf eine Photozelle im Empfänger gerichtet, die das Licht in elektrische Energie wandelt.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Die eigentliche Energieübertragung erfolgt sehr gerichtet, sodass dabei wenig Energie verloren geht. Allerdings ist die Wandlung von elektrischer Energie in Licht und umgekehrt nur wenig effizient. Obwohl zur Umwandlung von elektrischer Energie in Infrarot Infrarot-Halbleiterlaser (z. B. mit einem Oberflächenemitter) eine vergleichsweise hohe Umwandlungseffizienz haben, ist die Effizienz doch nur bis etwa 50 %. Beim Wirkungsgrad einer empfangenden Fotodiode kann bei angepasster Wellenlänge von der erreichbaren Quanteneffizienz >0,5 her ebenfalls auf einen Wirkungsgrad von 50 % geschlossen werden. Mehr als 25 % Effizienz erscheint daher für die gesamte Übertragungskette unwahrscheinlich. Der Transmitter muss über eine gute und genaue Erkennung von Empfängern verfügen und in der Lage sein, seinen Laserstrahl genau zu positionieren. Insbesondere bei bewegten Objekten ist dies eine große Herausforderung. Um Leistungen im Bereich einiger Milliwatt zu übertragen, muss der Laserstrahl so stark sein, dass er bereits gefährlich ist. Er kann dann das Auge oder die Haut verletzen.

Verfügbarkeit[Bearbeiten]

Das Verfahren wird bei kleinen Leistungen, zum Beispiel zur Übertragung von Energie auf sich drehende Teile, angewandt. Auch in Lichtleitkabeln kann das Prinzip angewandt werden, wobei auf dem Rückweg Informationen übertragen werden. Das Prinzip ist störsicher gegenüber elektromagnetischen Feldern und kann hohe Potentialdifferenzen (Hochspannungstechnik) überwinden.

Das amerikanische Start-Up-Unternehmen Powerbeam hat 2007 einen Prototyp zur Heim-Anwendung vorgestellt, ein Patent angemeldet und versuchte, das Verfahren zu etablieren[2]. In der Zwischenzeit hat sich das Unternehmen jedoch aufgelöst, die ehemaligen Mitarbeiter bieten ihr Wissen aber anderen Interessenten an.

Weitere Energieübertragungsprinzipien[Bearbeiten]

Energie drahtlos zu übertragen ist u.a. darüber hinaus folgendermaßen möglich:

  • Schall (keine Anwendungen bekannt)
  • Druckluft / Luftstrahl (siehe auch Drucklufttechnik)
  • hydraulisch / mit einem Flüssigkeitsstrahl (siehe auch Hydraulik)

Zur Energieversorgung energieautarker Systeme und Sensoren gewinnt die Energiewandlung aus natürlichen Quellen sowie die sparsamste Verwendung eine zunehmende Rolle, siehe Energy harvesting.

Historie[Bearbeiten]

Nikola Tesla postulierte die drahtlose Energieversorgung mittels elektromagnetischer Wellen bzw. Induktion und führte dazu auch großtechnische Versuche aus. Seine Teslaspule ist zwar zur Energieübertragung geeignet, sendet jedoch unter großen Verlusten elektromagnetische Strahlung aus und ionisiert ggf. die Luft.

Gelegentlich wurden Methoden zur Mikrowelllenübertragung von Energie von Solarzellen im Weltraum diskutiert[3].

Entwicklungen[Bearbeiten]

Drahtlose Energieübertragung ist nicht neu. Schon vor hundert Jahren gelang es Nikola Tesla, elektrische Energie durch die Luft zu übertragen.[4][5]

Seit 2004 arbeitet das deutsche Projekt KONTENDA[6] an der Entwicklung einer Technik zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie für industrielle Anwendungen.[7]

Im August 2008 wurde von der Intel Corporation ein Wireless Resonant Energy Link (WREL) vorgestellt.[8]

Elektrische Zahnbürsten mit eingebautem Akku verwenden über wenige Millimeter eine Energieübertragung durch das Gehäuse mittels eines Resonanztransformators. Der Resonanztransformator, typisch sind Resonanzfrequenzen im Bereich von 100 kHz, ist dabei durch einen mehrere Millimeter breiten „Luftspalt“, welcher das Gehäuse bildet, und entsprechend großen Streuflüssen gekennzeichnet, womit der Wirkungsgrad bei der Energieübertragung zwischen Ladestation und Zahnbüste reduziert ist.

Eine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) bezeichnet ihr kabelloses Energieübertragungssystem auch als „WiTricity“, diese Marke wird auch durch ein gleichnamiges Unternehmen kommerziell vermarktet.[9]

Standards und Normen[Bearbeiten]

Zur kabellosen Energieübertragung gibt es noch wenige Standards und Normen. Die existierenden beziehen sich bisher ausschließlich auf induktive Energieübertragung.

Mobilgeräte[Bearbeiten]

Logo des Industriestandards Qi

Hauptsächlich für den Einsatz im Bereich von Mobilgeräten gibt es derzeit im Wesentlichen drei Standards, die eine gewisse Verbreitung besitzen: der Qi-Standard des Wireless Power Consortium (WPC), die Rezence-Technik der Alliance for Wireless Power (A4WP) und die in sogenannten "Power Mats" verwendete Powermat-Ladetechnik der Power Matters Alliance (PMA).

Qi[Bearbeiten]

Am 17. Dezember 2008 wurde das internationale Wireless Power Consortium (WPC) gegründet, das die Einführung eines globalen Standards mit Namen Qi (chinesisches Wort für „Lebensenergie“, Aussprache: [ˈt͡ʃiː]) für die Aufladung von elektronischen Produkten vorsah. Zu den 82 Mitgliedern des Wireless Power Consortiums zählen Marktführer in den Bereichen Mobiltelefone, Unterhaltungselektronik, Batterien, Halbleiter, Komponenten, Wireless-Power-Technologie und -Infrastruktur, wie z. B. Netzwerkbetreiber, Möbelhersteller und Automobilzulieferer. Seit Mitte 2010 gibt es den Industriestandard Qi, zur induktiven Energieübertragung zu Mobilgeräten bis 5 W.[10] Zahlreiche Qi-Ladegeräte sind seitdem auf dem Markt erschienen und werden teilweise in mehrfach verbesserten Versionen angeboten, sodass dieser Standard nun die wohl größten Kinderkrankheiten überwunden hat.[11]

Power Mats[Bearbeiten]

Die unter anderem von Procter & Gamble sowie von Powermat Technologies im März 2012 gegründete Power Matters Alliance unterstützt einen von Powermat Technologies entwickelten Standard ebenfalls zur induktiven Ladung von Endgeräten. Bislang finden sich aber keine Endgeräte, die die Technologie unmittelbar selbst eingebaut haben, vielmehr werden hier entsprechende Ladeschalen und Akkus vertrieben, die in die jeweiligen Geräte eingesetzt werden. Die Powermat-Technologie ist auf Angebotsseite dadurch prominent, dass in diversen Starbucks- und McDonalds-Filialen Auflademöglichkeiten angeboten werden.[12]

Rezence[Bearbeiten]

Die zunächst "Wireless Power" und mittlerweile "Rezence" getaufte Technologie der Alliance for Wireless Power setzt im Gegensatz zu den beiden anderen Standards nicht auf Induktion, sondern auf eine resonante magnetische Kopplung; davon verspricht man sich u.a. auch eine Verringerung der Störanfälligkeit, eine recht große Reichweite und Ladestärken bis zu 20 W, was auch das kabellose Laden von kleinen Laptops ermöglichen könnte. In der Alliance for Wireless Power haben sich verschiedene Industrieunternehmen, darunter Intel, Qualcomm, Samsung, Broadcom und IDT Corporation zusammengeschlossen.[13]

Konvergenz von Powermat-Technologie und Rezence[Bearbeiten]

Im Februar 2014 haben die bis dahin miteinander konkurrierenden Konsortien AwWP und PMA verkündet, für eine größere Interoperabilität beim kabellosen Laden zu sorgen, indem sie gegenseitig ihre kompatibel machen. Zu diesem Zweck bringt wird die PMA die Rezence-Technik in ihren Standard aufnehmen, und die A4WP ergänzt als Option für induktives Laden die Powermat-Technologie in ihrer Spezifikation [14].

Elektrofahrzeuge[Bearbeiten]

In der DKE gibt es den Arbeitskreis AK 353.0.1, der Ende 2010 den Entwurf einer Anwendungsregel zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen erstellt hat. Der Entwurf ist zurzeit (Juli 2011) noch in der Kommentierungsphase.

Emission von elektromagnetischen Feldern[Bearbeiten]

Es sind zurzeit keine expliziten Standards und Normen zur Emission von elektromagnetischen Feldern von kontaktlosen Energieübertragungssystemen bekannt. Jedoch gelten die allgemeinen, und für die jeweiligen Produktgruppen angepassten, Standards und Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und zur elektromagnetischen Wirkung auf die Anwender (EMVU), die zu beachten und anzuwenden sind. Zur EMF gibt es insbesondere die Grenzwerte der ICNIRP,[15] die Basis für viele lokale Standards sind.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Eberhard Waffenschmidt, Toine Staring: Limitation of inductive power transfer for consumer applications. 13th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2009), Barcelona, Spain, 8.-10.Sep. 2009, paper #0607.
  2. http://intruders.tv/en-cleantech/2010/09/15/david-graham-of-powerbeam-the-end-of-cables/
  3. http://www.welt.de/wissenschaft/weltraum/article4327885/Sonne-soll-bereits-im-Weltall-angezapft-werden.html
  4. Experiments with Alternate Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891
  5. Henry Bradford, "Nikola Tesla On Wireless Energy Transmission"
  6. KONTENDA-Projekt
  7. Christof Windeck: Kontaktlose Kurzstrecken-Übertragung für elektrische Maschinen. heise online, 14. September 2004, abgerufen am 15. April 2010.
  8. Christof Windeck: IDF: Notebook-Akkus drahtlos laden. heise online, 22. August 2008, abgerufen am 15. April 2010.
  9. WiTricity Technology: The Basics. WiTricity Corporation, 2. Januar 2010, abgerufen am 15. April 2010 (englisch).
  10. Website des Wireless Power Consortium, abgerufen am 4. August 2011.
  11. Beliebte Qi-Ladegeräte im Überblick. kabellose-ladegeraete.de, abgerufen am 4. März 2014.
  12. Online-Artikel des Wall Street Journal Europe Alliance for Wireless Power and Power Matters Alliance Join Forces [1], abgerufen am 13. Februar 2014
  13. Artikel auf heise.de [2], abgerufen am 13. Februar 2014
  14. Ariktel auf heise.de Mehr Zusammenarbeit beim drahtlosen Laden [3], abgerufen am 13. Februar 2014
  15. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields. Health Physics April 1998, Volume 74, Number 4.