Fizika | Tanulmányok, esszék » Dr. Gyimóthy Szabolcs - Vezeték nélküli energiaátvitel

Vezeték nélküli energiaátvitel Dr. Gyimóthy Szabolcs BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék 2017. február 16 2017.0216 Tartalom Bevezető A csatolt rezonancián alapuló átvitel elve Az átvitel matematikai leírása Alkalmazási területek A fejlődés fő irányvonalai Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 2 2017.0216 A korlátlanul elérhető energia ígérete Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 3 Korszerű vezeték nélküli energiaátviteli módok Közeltéri (nem sugárzó) – Induktív (nem rezonáns) – Rezonancián alapuló Induktív csatolással Kapacitív csatolással Távoltéri (sugárzó) – mikrohullámú – lézeres A képek forrása: Wikipedia, Jenshan Lin 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 4 Korszerű vezeték nélküli energiaátviteli módok forrás: NewScientist 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 5 Történeti háttér –

Tesla munkássága Tesla előadása 1891-ben A Wardenclyffe-torony A képek forrása: Wikipedia 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 6 2017.0216 Történeti háttér – „Miért csak most?” Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 7 A rezonancia alapú vezeték nélküli energiaátvitel alapjai 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 8 Hol áramlik az energia? Poynting-vektor A képek forrása: www.emfrfcom, Vágó I Villamosságtan II 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 9 Csatolt rezgések – Ideális eset csatolt ingák (wikipedia.org) csatolt rezgőkörök 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 10 2017.0216 Csatolt rezgések – Veszteséges eset Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 11 2017.0216 Gerjesztett rezgés, teljesítményátvitel Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 12 2017.0216 Illesztés, teljesítményátalakítás Vezeték nélküli

energiaátvitel (ESZK) 13 Teljes WPT rendszer (AirFuel/Rezence) Forrás: RezenceTM Specification 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 14 Teljes WPT rendszer (WPC/Qi) Forrás: www.low-powerdesigncom 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 15 Az átvitel matematikai leírása 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 16 Kétkapu-reprezentáció Kétkapu V. Mi van a „dobozban” ? 2017.0216 Koncentrált paraméterű hálózat Csatolt módusok elméletén alapuló modell Direkt térszámítási modell Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 17 2017.0216 Koncentrált paraméterű hálózati modell Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 18 2017.0216 Csatolt módusok elmélete (CMT) Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 19 2017.0216 Térszámítási modell Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 20 2017.0216 Térszámítás alkalmazása – Példa Vezeték nélküli

energiaátvitel (ESZK) 21 Térszámítás alkalmazása – Példa Bemeneti impedancia 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) Szórási paraméterek 22 Térszámítás alkalmazása – Példa Teljesítményáramlás (a komplex Poynting-vektor valós részének trajektóriái) 10,5 MHz 2017.0216 10,75 MHz Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 11,3 MHz 23 2017.0216 Hatásfok – Definíciók Üzemi hatásfok Átviteli hatásfok Elérhető hatásfok Teljes hatásfok Tranziens hatásfok Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 24 Hatásfok – Az illesztés fontossága Konjugált illesztést megvalósító impedanciák Hatásfok adaptív és fix illesztés mellet 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 25 Hatásfok – Jósági szám Csatolási tényező Jósági tényezők Jósági szám (figure of merit) Hatásfok 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 26 A csatolás jellege

szoros csatolás (tight coupling): laza csatolás (loose coupling): gyenge csatolás (weak coupling): túl-, alul- és kritikusan csatolt rsz. (over / under / critically coupled): forrás: WO 2012/045050 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 27 2017.0216 Példa Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 28 Alkalmazások 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 29 Viselhető és mobileszközök töltése napipiac.unashu www.tyltcom forrás: Jenshan Lin: “A Perspective on Far-Field and Near-Field Wireless Power Transfer” 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 30 Viselhető és mobileszközök töltése WO 2009/131990 WO 2010/093728 EP 2 533 394 WO 2009/131990 WO 2010/093724 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 31 Elektromos járművek töltése álló helyzetben electriccarsreport.com Conductix-Wampfler 2017.0216 WiTricity Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 32

Elektromos járművek töltése haladás közben KAIST – OLEV Bombardier – Primove 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 33 Elektromos járművek töltése haladás közben Electroad DWPT Stanford University 2017.0216 Kyoto University, ATR Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 34 Elektromos járművek töltése haladás közben Toyohashi University of Technology (kapacitív) 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 35 Légi és vízi járművek töltése Technical University of Cartagena INESTEC 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 36 Gyógyászati alkalmazás – Implantátumok Haitham Hassanieh et al. (MIT) Jai Han, Chieh Chan 2012 heartmateii.com 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 37 Gyógyászati alkalmazás – Diagnosztika endoszkóp-kapszula lab-on-a-chip koncepció A képek forrása: T. Sun, X Xie, Z Wang, Wireless Power Transfer for Medical Microsystems, Springer,

2013 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 38 Katonai alkalmazások http://www.cerdecarmymil mil-embedded.com 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 39 Egyéb alkalmazások. PCB és chip közötti energiaátvitel robotok táplálása J. Song et al, KAIST napelemes tetőcserép energiacseréje WO 2013/112248 2017.0216 Van Neste et al, University of Alberta Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 40 Kockázatok és korlátok 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 41 Egészségügyi kockázat – Mágneses tér Forrás: T. Sun, X Xie, Z Wang, Wireless Power Transfer for Medical Microsystems, Springer, 2013 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 42 Egészségügyi kockázat – Elektromos tér Forrás: T. Sun, X Xie, Z Wang, Wireless Power Transfer for Medical Microsystems, Springer, 2013 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 43 Egészségügyi kockázat – Disszipáció

RF Safety 2013 (FCC 13-39) A képek forrásai: Jenshan Lin; Comsol; A. Christ et al IEEE T Electromagn Compat 2013 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 44 Elektromágneses kompatibilitás (EMC) Források: Mátai G. Magyar Tudomány 2002; TM Fisher et al, Wireless Power Transfer 2014 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 45 A fejlődés fő irányvonalai 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 46 K+F trend – Tudományos kutatás A kutatás földrajzi megoszlása* 3 23 12 4 4 4 5 14 5 11 7 6 Japan USA Korea Italy UK Germany Taiwan China France Portugal other, EU other, non-EU * a WPTC 2016 konferencia statisztikája 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 47 K+F trend – Tudományos kutatás A kutatás intenzitása alkalmazási terület szerint* 22% consumer electronics sensors, IoT, energy harvesting, RFID EV charging medical implants IC, packaging other generic (or unspecified) 27% 8% 1% 4%

22% 15% * a WPTC 2016 konferencia statisztikája 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 48 K+F trend – Tudományos kutatás WPT technológiák részesedése a kutatásban* 10% 1% 3% 5% 48% 33% near-field (magnetic) RF (microwave) Inductive (non-resonant) near-field (electric) optical (laser) other, or combined * a WPTC 2016 konferencia statisztikája 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 49 K+F trend – Tudományos kutatás Az egyes részproblémákra fordított kutatómunka aránya* 18% 13% 5% 6% 18% 6% 6% 18% 8% resonator design circuit design communication & control rectenna design safety, EMC modeling & simulation antenna design, beam forming new application mixed, or general theory * a WPTC 2016 konferencia statisztikája 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 50 K+F trend a szabadalmak tükrében Priority Date (Year) Country of Origination 25 20 US JP KR other 15 10 5 0 2005 2006 2007 2008 2009

2010 2011 2012 2013 2014 Patent Owner WiTricity UT-Batelle Qualcomm Panasonic LG Electronics Chugoku Electric Power Broadcom Other 0 2017.0216 5 10 15 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 20 25 51 2017.0216 Piaci trend – Érdekcsoportok Wireless Power Consortium [Qi szabvány] 213 tag AirFuel Alliance (A4WP+PMA) [Rezence szabvány] 120 tag Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 52 2017.0216 Piaci trend – Adó- és vevőegységek piaca Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 53 2017.0216 Piaci trend – Felhasználási területek Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 54 2017.0216 Piaci trend – Szabályozás hatása Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 55 Európa és Magyarország www.hiradohu 2017.0216 www.microprosscom Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 56 Tanszéki tevékenység Munkatársak: Bilicz Sándor Farkas Csaba (VET) Horváth Péter Lénárt Ferenc Pávó József Szalay

Zoltán Szűcs László Tóth László Levente Vezeték nélküli energiaátvitel (BMEVIHVAV25) 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 57 Köszönöm a figyelmet! 2017.0216 Vezeték nélküli energiaátvitel (ESZK) 58