DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT PROF. DR. IR. HUBREGT J. VISSER PUBLIC

Transcriptie

1 DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT PROF. DR. IR. HUBREGT J. VISSER PUBLIC

2 INHOUD 1. Introductie 2. Vroege Geschiedenis van Draadloze Energie Overdracht 3. Moderne Geschiedenis van Draadloze Energie Overdracht 4. Mogelijkheden en Beperkingen 5. Radiostraling en Gezondheid 6. Toekomstperspectief 7. Samenvatting en Conclusies 2

3 1. INTRODUCTIE

4 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) Radiative Wireless power Transfer: WPT waarin gebruik gemaakt wordt van radiogolven inductive WPT radiative 4

5 1. INTRODUCTIE ENERGY HARVESTING BRONNEN Beweging 1831 Faraday dynamo WWII Philips dyno torch Modern dyno torch Piezoelectriciteit 1880 Curie discovery of piezoelectricity RPG7 fuse Enocean wireless switch Temperatuurverschillen 1821 Seebeck experiment 1948 USSR oil lamp powered radio 1977 Voyager 2 Radioisotope Thermoelectric Generator Licht 1839 Becquerel experiment 1954 Bell Labs PV Modern PV 5

6 1. INTRODUCTIE TOEPASSINGEN EN VERMOGENSDICHTHEDEN TOEPASSINGEN Vervanging van batterijen of geintegreerde batterijlader in kleine, autonome, draadloze sensoren VERMOGENSDICHTHEDEN Picture source: 6

7 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

8 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

9 2. VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT

10 2. VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT 1886: HEINRICH HERTZ REALISEERT HET EERSTE RADIO SYSTEEM 10

11 2. VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT 1894: GUGLIELMO MARCONI REALISEERT HET EERSTE PRAKTISCHE RADIO SYSTEEM 11

12 2. VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT 1901: NIKOLA TESLA BEDENKT DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT 12

13 2. VROEGE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT 1931: HARRELL NOBLE DEMONSTREERT DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT 100MHz halve-golf dipolen Afstand: 5 tot 12m 15kW zendvermogen Westinghouse laboratories Gedemonstreerd op de Chicago World Fair 13

14 3. MODERNE GESCHIEDENIS VAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT

15 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 1.5m 2 ontvangstantenna 4480 diodes 270W DC vermogen Raytheon Airborne Microwave Platform (RAMP) project 15

16 3. MODERNE GESCHIEDENISVAN DRAADLOZE ENERGIE OVERDRACHT 2016: HOLST CENTRE / IMEC & TU/E

17 4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN

18 4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN VERMOGENSAFNAME Radiogolven breiden zich sferisch uit. Voor elke verdubbeling van de afstand neemt de vermogensdichtheid [W/m 2 ] met een factor 4 af. P T Beperkingen worden niet direct aan het zendvermogen gesteld, maar aan het zendvermogen en de antenna: EIRP Voor GSM: W/m 2 (0.3 W/cm 2 ) Voor een 4W (EIRP) bron op 5 m afstand: W/m 2 (1.3 W/cm 2 ) 18

19 4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN TE VERWACHTEN ONTVANGEN VERMOGEN De ontvangstantenne bepaalt mede het ontvangen vermogen. P T P R Voorbeeld: 4W EIRP op 5 m afstand Patch antenne, 6 cm x 6 cm, 2.4 GHz r Vermogen op antenne: 58 W 19

20 4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN DE RECTENNA (RECTIFYING ANTENNA) 20

21 4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN VERHOGEN VAN DE SPANNING Resonant grid met diodes 21

22 4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN RESONANT DIODE GRID 22

23 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

24 4. MOGELIJKHEDEN EN BEPERKINGEN RECTENNA DEMO 24

25 5. RADIOSTRALING EN GEZONDHEID

26 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 GHz: 10 W/m 2. 26

27 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

28 6. TOEKOMSTPERSPECTIEF

29 5. TOEKOMSTPERSPECTIEF RECTENNA MINIATURISATIE EN INTEGRATIE 29

30 6. SAMENVATTING EN CONCLUSIES

31 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

32 PUBLIC