wireless power

Elektrische Energie wird normalerweise über Kabel und Leiter übertragen. Es gibt allerdings einige Entwicklungen, die sich mit der drahtlosen und kabellosen Energieübertragung beschäftigen. Für die Technik, auch bekannt als Wireless Energy Transmission, Wireless Power oder Wireless Charging, gibt es mehrere Konzepte, die auf der Nahfeld- und Fernfeldübertragung basieren.


Bei den Verfahren der Nahfeldkommunikation handelt es sich um die Kopplung mittels magnetischer Induktion (MI), magnetischer Resonanz (MR) und kapazitiver Felder, bei der Fernfeldkommunikation um Verfahren, die auf Mikrowellentechnik, Infrarotlicht oder Lasertechnik basieren.

Die verschiedenen Konzepte der drahtlosen Energieübertragung

Übertragungsprinzipien für Wireless Power

Übertragungsprinzipien für Wireless Power

Bei den auf Nahfeldkommunikation basierenden Übertragungsverfahren mit elektrodynamischer und elektrostatischer Kopplung wird die Energie über wenige Zentimeter Abstand übertragen. Bei der induktiven Kopplung mit magnetischer Induktion wird die Energie von der Primärspule des Energiesenders, der Power Transmitting Unit (PTU), zur Sekundärspule des Energieempfängers, der Power Receiving Unit (PRU), über Magnetfelder übertragen. Bei diesem Prinzip erzeugt ein HF-Wechselstrom mit einer Frequenz von 100 kHz bis 205 kHz in der Primärspule ein magnetisches Feld, das in die Sekundärspule induziert wird und dort eine Induktionsspannung erzeugt. Das Verfahren stößt schnell an seine Grenzen, weil die optimale Energieübertragung nur bei exakter Ausrichtung der Spulen zueinander gewährleistet ist. Der Übertragungswirkungsgrad ist proportional dem Kopplungsfaktor (k) multipliziert mit der Güte (Q) der Spulen (k x Q).

Bekannte Beispiele für diese Technik sind elektrische Zahnbürsten und RFID. Neuere Entwicklungen nutzen die magnetische Induktion (MI) für das Aufladen der Akkus in Mobilgeräten, iPods, iPhones, Smartphones und Handys. Diese Techniken benutzen Ladematten mit eingelegten Flachspulen auf die die Geräte gelegt werden und die als Powermat oder Power-Pad bekannt sind. Voraussetzung ist allerdings, dass die Geräte mit Flachspulen ausgestattet sind. Ein Beispiel dafür sind die Smartphone Lumia von Nokia.

Drahtlose Energieübertragung von hohen Leistungen.

Flachspule 
   für die drahtlose Energieübertragung, Foto: Würth-Elektronik

Flachspule für die drahtlose Energieübertragung, Foto: Würth-Elektronik

Auch in leistungsstarken Anwendungen wie dem Antrieb von Autos, Bussen oder Straßenbahnen hat die elektromagnetische Induktion reelle Einsatzchancen. Es konnten bereits Energieübertragungen von 100 kW realisiert werden. Bei dieser Technik werden die Primärspulen als Bodenplatte auf den Garagenboden montiert oder in den Boden von Parkplätzen eingelassen, und die Sekundärspulen befinden sich im Kraftfahrzeugboden.

Wireless Charging mit Bodenplatte, Foto: motorauthority.com

Wireless Charging mit Bodenplatte, Foto: motorauthority.com

Der Wagen wird über der Primärspule geparkt und über die Induktivladetechnik wird die Batterie aufgeladen. Um eine effiziente Energieübertragung zu erreichen, sollte der Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule möglichst gering sein. Um dies zu erreichen, hebt sich die Primärspule automatisch an, sobald der Wagen über ihr positioniert ist.

Bei einphasigem Betrieb können mit der kabellosen Ladetechnik Leistungen von 3,6 kW übertragen werden und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90 %. Um die Bodenplatten möglichst flach zu halten, arbeitet die induktive Energieübertragung mit etwa 100 kHz. Der Vorteil liegt darin, dass die Sekundärspule wenig Gewicht hat und dass keine Ladestation und kein Ladekabel benötigt werden.

Blockschaltbild einer Drahtlos-Energie-Übertragung

Blockschaltbild einer Drahtlos-Energie-Übertragung

Die Technik der induktiven Energieübertragung wird vom Wireless Power Consortium (WPC), die für diese Technik auch den Qi-Standard erarbeitet hat, und der Power Matters Alliance (PMA) mit ihrem PMA-Standard vorangetrieben.

Weitere Induktionsprinzipien benutzen für die Energieübertragung elektrische Felder oder das Resonanzprinzip der magnetischen Resonanz (MR). Was die Energieübertragung über elektrische Felder betrifft, so nutzt man dabei ein quasistatisches elektrisches Feld zwischen zwei Geräten. Bei diesem Verfahren sind in beiden Geräten - dem Ladegerät und dem zu ladenden Gerät - koppelnde Platten untergebracht, die als Kondensator fungieren. Sind die Geräte nahe genug beieinander, dann wird die Kondensatorplatte für die Energieübertragung genutzt. Für das Resonanzprinzip gibt es mit WiTricity und Wireless Resonant Energy Link (WREL) von Intel bereits realisierte Konzepte. Mit der Technik der magnetischen Resonanz befasst sich die Alliance for Wireless Power (A4WP).

Im Herbst 2015 haben sich die Power Matters Alliance (PMA) und die Alliance for Wireless Power (A4WP) zur AirFuel Alliance zusammengeschlossen.

Experimenteller Aufbau einer Energieübertragung nach dem Resonanzprinzip, Foto: cnet.de

Experimenteller Aufbau einer Energieübertragung nach dem Resonanzprinzip, Foto: cnet.de

Die funktechnischen Konzepte arbeiten mit elektromagnetischen Wellen, die von den Energieempfängern empfangen und umgesetzt werden. Bei diesen Verfahren werden Funkwellen empfangen, gleichgerichtet und aus der gewonnenen Gleichspannung wird die Versorgungsenergie gewonnen. Solche funktechnischen Konzepte können auch auf der Rückstreuung von Funkwellen basieren. Die gewonnenen Leistungen liegen im Mikrowatt-Bereich, sie reichen allerdings zur Versorgung von stromsparenden Sensoren in Wireless Sensor and Actor Networks (WSAN) aus, wie sie in Narrow Band IoT (NB-IoT) eingesetzt werden.

Airnergy ist ein solches funkbasiertes Konzept, das allerdings wie alle Übertragungstechniken physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt. Diese schränken die Ausdehnung insofern ein, als dass die Feldstärke linear mit der Entfernung zwischen Energiesender und Energieempfänger abnimmt, und die Leistungsdichte sogar quadratisch.

Das Laser-basierte Konzept, das bekannt ist als PowerBeam und dessen Technologie WiTrichy heißt, beamt Energie mittels Laser zum Energieempfänger, der die Wärme des Laserstrahls in einer Solarzelle in Energie umwandelt. Die übertragbare Leistung liegt im Milliwatt-Bereich bei Entfernungen von einigen Metern. Allerdings ist der Wirkungsgrad nur einige Prozent, wenn überhaupt.

Vorteile der drahtlosen Energieübertragung

Die drahtlose Energieübertragung ist äußerst bequem zu handhaben, da keine Kabelverbindung zwischen Ladegerät und Endgerät hergestellt weren muss. Auch sind die Geräte isoliert gegeneinander und können in vollständig geschlossenen Gehäusen untergebracht werden. Sie sind somit gegen Staub, Spritzwasser und Gase geschützt. Dadurch können sie auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Nachteilig ist die schlechtere Energiebilanz gegenüber verkabelten Ladestationen. Dieser Nachteil lässt sich durch die Kommunikation zwischen Ladestation und Endgerät kompensieren.

Ganz so neu ist die drahtlose Energieübertragung auf Funkbasis allerdings nicht. Bereits Mitte des letzten Jahrhunderts gab es das Phänomen, dass in Häusern in der Nähe von Langwellensendern Glühlampen leuchteten, ohne dass der Strom eingeschaltet war. Dieses Phänomen basierte darauf, dass die elektrische Verkabelung eine Langwellenantenne bildete und die hohe Sendeleistung, die mehrere hundert Kilowatt betrug, umsetzte. In anderen Fällen nutzten Findige den Gartenzaun als Antenne. Heute geht es dagegen um Sendeleistungen von einigen wenigen Watt.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Drahtlose Energieübertragung
Englisch: wireless power
Veröffentlicht: 19.07.2017
Wörter: 1027
Tags: #Energienetze
Links: A4WP (alliance for wireless power), AirFuel Alliance, Airnergy, Akku (Akkumulator), Antenne