Draadloze Stroom: Elektromagnetische Overdracht - Een Wereldwijd Overzicht

Draadloze stroomoverdracht (WPT), ook wel draadloze energieoverdracht (WET) of draadloos opladen genoemd, is de transmissie van elektrische energie zonder draden als fysieke verbinding. Deze technologie vertrouwt op elektromagnetische velden om energie over te dragen tussen een zender en een ontvanger over een afstand. Hoewel het concept al meer dan een eeuw bestaat, maken technologische vooruitgangen WPT nu tot een praktische en steeds vaker voorkomende oplossing in verschillende industrieën wereldwijd.

Inzicht in Elektromagnetische Overdracht

Elektromagnetische overdracht omvat verschillende methoden, grofweg onderverdeeld in twee typen: near-field en far-field technieken.

Near-Field Stroomoverdracht

Near-field stroomoverdracht, ook bekend als niet-radiatieve overdracht, werkt op afstanden die vergelijkbaar zijn met of kleiner dan de golflengte van het elektromagnetische veld. De belangrijkste technieken zijn onder meer:

• Inductieve Koppeling: Dit is de meest voorkomende methode, waarbij twee spoelen - een zender en een ontvanger - worden gebruikt om een magnetisch veld te creëren. Wanneer de ontvangstspoel in het magnetische veld wordt geplaatst dat door de zenderspoel wordt gegenereerd, wordt er elektriciteit geïnduceerd in de ontvangstspoel. Denk aan oplaadstations voor elektrische tandenborstels of draadloze oplaadpads voor smartphones als alledaagse voorbeelden. De efficiëntie van inductieve koppeling neemt snel af met toenemende afstand.
• Resonant Inductieve Koppeling: Deze methode verbetert de efficiëntie en het bereik van inductieve koppeling door zowel de zender- als de ontvangerspoelen af te stemmen op dezelfde frequentie. Dit creëert een sterker magnetisch veld en zorgt voor efficiëntere energieoverdracht over een iets grotere afstand. Dit wordt gebruikt in sommige draadloze oplaadsystemen voor elektrische voertuigen. Een reëel voorbeeld zijn bedrijven die onderzoek doen naar en resonant inductief opladen implementeren voor bussen in stedelijke omgevingen, waardoor ze kunnen opladen bij bushaltes.

Far-Field Stroomoverdracht

Far-field stroomoverdracht, ook bekend als radiatieve overdracht, werkt op afstanden die aanzienlijk groter zijn dan de golflengte van het elektromagnetische veld. De belangrijkste technieken zijn onder meer:

• Microgolf Stroomoverdracht: Deze methode gebruikt microgolven om energie over grotere afstanden over te dragen. Het vereist een zender om elektriciteit om te zetten in microgolven en een ontvanger (rectenna) om de microgolven weer om te zetten in elektriciteit. Microgolf stroomoverdracht wordt onderzocht voor toepassingen zoals het voeden van sensoren op afstand of zelfs het overdragen van energie van ruimtegebaseerde zonne-energiecentrales naar de aarde. Een voorbeeld van onderzoek op dit gebied is het lopende werk aan ruimtegebaseerde zonne-energie door verschillende ruimtevaartorganisaties en particuliere bedrijven.
• Radio Frequentie (RF) Energie Oogsten: Deze techniek verzamelt en zet omgevingsradiogolven (bijv. van wifi-routers, zendmasten en uitzendsignalen) om in bruikbare elektrische energie. De hoeveelheid geoogste energie is doorgaans klein, maar kan voldoende zijn om apparaten met een laag vermogen, zoals sensoren of draagbare elektronica, van stroom te voorzien. Voorbeelden zijn sensoren in slimme gebouwen die worden gevoed door omgevings-RF-energie.
• Laser Stroomoverdracht: Deze methode gebruikt lasers om draadloos stroom over te dragen. Een laserstraal wordt gericht op een fotovoltaïsche cel, die het licht omzet in elektriciteit. Laserstroomoverdracht wordt gebruikt in nichetoepassingen zoals het voeden van drones of robots op afstand.

Belangrijkste Technologieën en Componenten

Verschillende belangrijke technologieën en componenten zijn essentieel voor het implementeren van draadloze stroomoverdrachtsystemen:

• Zenderspoelen: Deze spoelen genereren het elektromagnetische veld dat nodig is voor energieoverdracht. Ze zijn zorgvuldig ontworpen om de efficiëntie te optimaliseren en verliezen te minimaliseren. Verschillende spoelontwerpen worden gebruikt voor inductieve en resonant inductieve koppeling.
• Ontvangerspoelen: Deze spoelen vangen de elektromagnetische energie op en zetten deze weer om in elektrische energie. Hun ontwerp is ook cruciaal voor een efficiënte energieoverdracht.
• Vermogenselektronica: Vermogenselektronische circuits worden gebruikt om de energiestroom te regelen, spanning en stroom te reguleren en een efficiënte energieomzetting te garanderen. Deze circuits omvatten omvormers, gelijkrichters en DC-DC-omzetters.
• Besturingssystemen: Besturingssystemen bewaken het energieoverdrachtproces, passen de bedrijfsparameters aan en zorgen voor een veilige en betrouwbare werking. Ze kunnen sensoren, microcontrollers en communicatie-interfaces bevatten.
• Afschermingsmaterialen: Afschermingsmaterialen worden gebruikt om het elektromagnetische veld te bevatten en interferentie met andere elektronische apparaten te voorkomen. Ze helpen ook elektromagnetische emissies te verminderen en te zorgen voor naleving van veiligheidsvoorschriften.

Toepassingen van Draadloze Stroomoverdracht

Draadloze stroomoverdracht vindt toepassingen in een breed scala van industrieën en sectoren:

Consumentenelektronica

Dit is een van de meest zichtbare toepassingen van WPT. Smartphones, smartwatches, draadloze oordopjes en andere consumentenelektronica nemen in toenemende mate draadloze oplaadmogelijkheden over. De Qi-standaard is de meest gebruikte standaard voor draadloos opladen van mobiele apparaten. Ikea integreert bijvoorbeeld Qi-opladers in meubels.

Elektrische Voertuigen (EV's)

Draadloos opladen voor EV's wint aan populariteit als een handig en efficiënt alternatief voor traditioneel opladen via een stopcontact. Draadloze oplaadpads kunnen worden ingebed in wegen of parkeerplaatsen, waardoor EV's automatisch kunnen opladen tijdens het parkeren of zelfs tijdens het rijden (dynamisch opladen). Bedrijven als WiTricity ontwikkelen en licentiëren draadloze oplaadtechnologie voor EV's. Pilotprogramma's voor het draadloos opladen van elektrische bussen zijn gaande in verschillende steden over de hele wereld.

Medische Apparaten

Draadloze stroomoverdracht maakt nieuwe mogelijkheden mogelijk voor medische apparaten, met name implanteerbare apparaten zoals pacemakers, insulinepompen en neurale implantaten. Draadloos opladen elimineert de noodzaak van batterijen, waardoor het risico op infecties en complicaties in verband met batterijvervanging wordt verminderd. Bedrijven ontwikkelen draadloze oplaadsystemen voor cochleaire implantaten en andere medische apparaten.

Industriële Toepassingen

WPT wordt gebruikt in industriële omgevingen om sensoren, robots en andere apparatuur in ruwe of ontoegankelijke omgevingen van stroom te voorzien. Draadloze stroomoverdracht kan de noodzaak van draden en kabels elimineren, waardoor de veiligheid, betrouwbaarheid en flexibiliteit worden verbeterd. Voorbeelden zijn het voeden van sensoren in fabrieken en het opladen van robots in magazijnen. Bedrijven implementeren draadloze stroomoplossingen om het opladen van AGV's (Automated Guided Vehicles) te automatiseren.

Internet of Things (IoT)

Draadloze stroomoverdracht maakt de inzet van IoT-apparaten met een laag vermogen op afgelegen locaties mogelijk of waar geen bekabelde stroom beschikbaar is. RF-energie oogsten kan worden gebruikt om sensoren, actuatoren en andere IoT-apparaten van stroom te voorzien, waardoor een breed scala aan toepassingen mogelijk is in slimme steden, landbouw en milieumonitoring. Draadloze sensoren die de bodemgesteldheid in afgelegen landbouwgebieden bewaken, kunnen bijvoorbeeld worden gevoed door RF-energie-oogst.

Lucht- en Ruimtevaart en Defensie

WPT wordt onderzocht voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en defensie, zoals het voeden van drones, robots en sensoren in militaire operaties. Laserstroomoverdracht kan worden gebruikt om drones van stroom te voorzien vanaf een basisstation op afstand, waardoor hun vliegtijd en bereik worden verlengd. Er wordt onderzoek gedaan naar het gebruik van microgolfstroomoverdracht om satellieten in een baan om de aarde van stroom te voorzien.

Voordelen van Draadloze Stroomoverdracht

Draadloze stroomoverdracht biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele bekabelde stroomsystemen:

• Gemak: Draadloos opladen elimineert de noodzaak van kabels en connectoren, waardoor opladen handiger en gebruiksvriendelijker wordt.
• Veiligheid: Draadloze stroomoverdracht kan de veiligheid verbeteren door blootliggende draden en connectoren te elimineren, waardoor het risico op elektrische schokken en brand wordt verminderd.
• Betrouwbaarheid: Draadloze stroomoverdracht kan de betrouwbaarheid verbeteren door de noodzaak van fysieke verbindingen te elimineren, die gevoelig kunnen zijn voor slijtage.
• Flexibiliteit: Draadloze stroomoverdracht kan meer flexibiliteit bieden bij de plaatsing en het gebruik van apparaten, waardoor apparaten op afstand of op ontoegankelijke plaatsen kunnen worden opgeladen.
• Kostenbesparingen: Draadloze stroomoverdracht kan kosten verlagen door de noodzaak van kabels, connectoren en batterijvervangingen te elimineren.
• Esthetiek: Draadloze oplaadoplossingen dragen bij aan schonere en modernere ontwerpen door zichtbare snoeren te verwijderen.

Uitdagingen en Overwegingen

Ondanks de vele voordelen staat draadloze stroomoverdracht ook voor verschillende uitdagingen:

• Efficiëntie: De efficiëntie van draadloze stroomoverdracht is doorgaans lager dan die van bekabelde stroomoverdracht, als gevolg van verliezen in het elektromagnetische veld en het energieomzettingsproces. Het verbeteren van de efficiëntie is een belangrijk gebied van onderzoek en ontwikkeling.
• Bereik: Het bereik van draadloze stroomoverdracht wordt beperkt door de sterkte van het elektromagnetische veld. Near-field technieken hebben een korter bereik dan far-field technieken.
• Veiligheid: Blootstelling aan elektromagnetische velden kan veiligheidsproblemen opleveren. Er zijn normen en voorschriften nodig om ervoor te zorgen dat draadloze stroomoverdrachtsystemen binnen veilige grenzen werken. De Internationale Commissie voor de bescherming tegen niet-ioniserende straling (ICNIRP) stelt richtlijnen op voor blootstelling aan elektromagnetische velden.
• Interferentie: Draadloze stroomoverdrachtsystemen kunnen interfereren met andere elektronische apparaten, met name die welke op vergelijkbare frequenties werken. Afschermings- en filteringtechnieken zijn nodig om interferentie te minimaliseren.
• Kosten: De kosten van draadloze stroomoverdrachtsystemen kunnen hoger zijn dan die van bekabelde stroomsystemen, met name voor far-field technieken. Het verlagen van de kosten is essentieel voor een brede acceptatie.
• Standaardisatie: Gebrek aan universele standaarden belemmert interoperabiliteit en wereldwijde acceptatie. De Qi-standaard voor inductief opladen is een opmerkelijke uitzondering.

Wereldwijde Standaarden en Voorschriften

Verschillende internationale organisaties ontwikkelen standaarden en voorschriften voor draadloze stroomoverdracht om veiligheid, interoperabiliteit en compatibiliteit te waarborgen. Deze omvatten:

• Qi-standaard: Qi is ontwikkeld door het Wireless Power Consortium (WPC) en is de meest gebruikte standaard voor inductief draadloos opladen.
• AirFuel Alliance: Deze organisatie ontwikkelt standaarden voor resonant inductieve en RF draadloze stroomoverdracht.
• International Electrotechnical Commission (IEC): De IEC ontwikkelt normen voor elektromagnetische compatibiliteit en veiligheid.
• International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Deze organisatie stelt richtlijnen op voor blootstelling aan elektromagnetische velden.
• Federal Communications Commission (FCC) (VS): Reguleert radiofrequentieapparaten en stelt limieten voor elektromagnetische emissies.
• European Telecommunications Standards Institute (ETSI) (Europa): Ontwikkelt normen voor telecommunicatie en draadloze technologieën.

Toekomstige Trends in Draadloze Stroomoverdracht

De toekomst van draadloze stroomoverdracht ziet er veelbelovend uit, met verschillende opkomende trends die naar verwachting de industrie zullen vormgeven:

• Verhoogde Efficiëntie: Onderzoekers werken aan het verbeteren van de efficiëntie van draadloze stroomoverdrachtsystemen door middel van nieuwe materialen, circuitontwerpen en besturingsalgoritmen.
• Groter Bereik: Vooruitgang in far-field technieken maakt draadloze stroomoverdracht over grotere afstanden mogelijk, waardoor nieuwe toepassingen worden geopend in de lucht- en ruimtevaart, defensie en industriële automatisering.
• Dynamisch Opladen: Dynamisch draadloos opladen voor elektrische voertuigen zal naar verwachting vaker voorkomen, waardoor EV's kunnen opladen tijdens het rijden.
• Miniaturisatie: Miniaturisatie van draadloze stroomoverdrachtcomponenten maakt integratie in kleinere en draagbaardere apparaten mogelijk.
• Opladen van meerdere apparaten: Draadloze oplaadpads die tegelijkertijd meerdere apparaten kunnen opladen, worden steeds vaker gebruikt.
• Draadloze Stroomnetwerken: De ontwikkeling van draadloze stroomnetwerken die energie door een gebouw of gebied kunnen verdelen, wordt onderzocht.
• Energie oogsten uit omgevingsbronnen: Efficiëntere technologieën voor het oogsten van energie maken het mogelijk om apparaten van stroom te voorzien uit omgevingsradiogolven en andere omgevingsbronnen.

Voorbeelden van Bedrijven die Innoveren in Draadloze Stroom

Talrijke bedrijven wereldwijd verleggen de grenzen van draadloze stroomtechnologie. Hier zijn een paar voorbeelden:

• WiTricity (VS): Een toonaangevend bedrijf op het gebied van draadloze oplaadtechnologie voor elektrische voertuigen.
• Energous (VS): Ontwikkelt WattUp, een technologie voor RF-gebaseerde draadloze stroomoverdracht.
• Ossia (VS): Gericht op Cota Real Wireless Power, dat stroom over afstand levert met behulp van radiogolven.
• Powermat Technologies (Israël): Levert draadloze oplaadoplossingen voor openbare gelegenheden en consumentenelektronica.
• Humavox (Israël): Gespecialiseerd in near-field draadloos opladen voor kleine apparaten zoals wearables en hoortoestellen.
• NuCurrent (VS): Ontwerpt en produceert draadloze stroomspoelen en -systemen.
• Murata Manufacturing (Japan): Een wereldleider in elektronische componenten, waaronder draadloze stroomoverdrachtmodules.
• ConvenientPower (China): Ontwikkelt draadloze oplaadoplossingen voor verschillende toepassingen, waaronder consumentenelektronica en automotive.
• Xiaomi (China): Heeft over-the-air draadloze oplaadtechnologie voor smartphones gedemonstreerd.

Conclusie

Draadloze stroomoverdracht is een snel evoluerende technologie met het potentieel om de manier waarop we onze apparaten en systemen van stroom voorzien te revolutioneren. Van consumentenelektronica tot elektrische voertuigen tot medische apparaten, WPT vindt toepassingen in een breed scala van industrieën. Hoewel er uitdagingen blijven op het gebied van efficiëntie, bereik, veiligheid en kosten, effent lopend onderzoek en ontwikkeling de weg voor een toekomst waarin draadloze stroom alomtegenwoordig is en naadloos in ons leven is geïntegreerd. De mondiale aard van technologische innovatie zorgt voor voortdurende vooruitgang en acceptatie van deze technologieën in diverse markten en toepassingen.