Microwave-technologie gebaseerd op draadloze energieoverdracht

Wat is draadloze energieoverdracht? Draadloze energieoverdracht op basis van microgolven verandert de manier waarop energie afgelegen en moeilijk bereikbare apparaten bereikt. Dit maakt onderhoudsvrije werking mogelijk voor IoT-sensoren, elektrische voertuigen en drones. Laten we de nieuwste ontwikkelingen in draadloze energietransmissietechnologieën en hun cruciale rol bij het voorzien van de verbonden wereld van morgen bekijken.  

Microgolf energieoverdracht: heden en verleden

Energieoverdracht via microgolven kreeg veel aandacht zo'n tien jaar na de uitvinding tijdens de Tweede Wereldoorlog. In 1958 startten onderzoekers studies naar draadloze energieoverdracht voor door de zon aangedreven satellieten, gefinancierd door Raytheon, NASA en de US Air Force. Sinds 1980 hebben alle sponsors microgolf-energieoverdracht onderzocht, met NASA als belangrijkste sponsor.

Er zijn verschillende technieken ontwikkeld voor draadloze energieoverdracht, waaronder radiofrequentie (RF), elektromagnetische inductie, ultrasoon-geleide golven en laserstralen. De meest geavanceerde methode is draadloze overdracht via radiofrequenties. Het microgolf-energieoverdrachtsysteem is een techniek die energie naar bijna onbereikbare locaties brengt. Voor het zelfvoorzienend houden van Internet of Things (IoT)-apparaten is een oogstcircuit nodig voor energieopslag. 

Draadloze energieoverdracht

Figuur 1. laat de aanzienlijke variatie in methodes van draadloze energieoverdracht zien, beïnvloed door verschillende eigenschappen zoals frequentie, afstand tussen zender en ontvanger en specifieke toepassingen. Elektrische voertuigen, drones, consumentenelektronica en draagbare elektronica kunnen allemaal draadloze energieoverdracht gebruiken voor toepassingen op korte afstand, namelijk via magnetische koppeling (Magnetically-Coupled Wireless Power Transmission of MC-WPT) en electrische koppeling (Electrically Coupled Wireless Power Transmission of EC-WPT). Toepassingen op lange afstand omvatten geavanceerde technologieën en militair gebruik, zoals MPT (Microwave Power Transmission) en LPT (Laser Power Transmission).
  Figuur 2. laat het blokdiagram van het draadloze energieoverdrachtsysteem zien.
  De structuur van draadloze energieoverdracht bestaat uit drie onderdelen:

• Microgolf energiebron,
• Lopende golf gebied,
• Rectenna (gelijkrichtende antenne) of cyclotron golf-rectificator (CWC).

De noodzaak van een beperkte afstand tussen spoelen belemmert de verdere ontwikkeling van inductieve technologie. Momenteel worden vier soorten draadloze energieoverdracht gebruikt. Dit zijn, in oplopende frequentie:

• Microgolven (lange afstand),
• Lasers (lange afstand),
• Elektromagnetische inductie (korte afstand),
• Ultrasone golven (korte afstand).

De technologie voor draadloze energieoverdracht kan worden verdeeld in elektromagnetisch gebaseerde WPT en mechanisch gebaseerde WPT, zoals getoond in Figuur 3.. Elektromagnetisch gebaseerde WPT kan verder worden onderverdeeld in magnetisch veld-principe, elektrisch veld-principe, microgolf-principe en laser-principe. Mechanisch gebaseerde WPT kan worden ingedeeld in ultrasoon-principe en mechanische trillings-principe. In de luchtvaart omvat WPT inductieve overdracht, magnetische koppeling resonantie, laser en microgolf overdracht. Inductieve systemen en conventionele cognitieve radio’s vallen onder korte-afstand WPT, terwijl laser en microgolf onder lange-afstand WPT vallen.
  Energie-oogst, een belangrijk onderdeel van draadloze energieoverdracht, is een innovatieve technologie die stroom levert aan plaatsen die onbereikbaar waren. Deze methode, bekend als RF-harvesting, is vooral belangrijk omdat ze elektronische apparaten met een laag energieverbruik kan voeden in afgelegen en complexe omgevingen. Het wordt ook radiofrequentie-oogst genoemd. Het kan apparaten draadloos van stroom voorzien met een minimaal energieverbruik.

Onderzoekers hebben hier recent veel interesse in getoond, omdat ze sensoren draadloos kunnen opladen in lastige omgevingen. Veel onderzoek heeft draadloos opladen via RF-energie-oogst onderzocht. Het basisprincipe van deze technologie is het opvangen van de RF-energie rond de antenne of ontvanger om sensoren van stroom te voorzien. Daarom moeten IoT-sensoren batterijloze oplossingen hebben. In de toekomst zullen aanzienlijke middelen nodig zijn om IoT-apparaten te ondersteunen, aangezien er in draadloze sensornetwerken steeds meer sensoren worden gebruikt. Elke sensor moet dus batterijloos zijn om een onderhoudsvrije werking te garanderen. Draadloze energieoverdracht, of RF-energie-oogst, is een veelbelovende techniek omdat het IoT-apparaten over grotere afstanden kan voeden dan alternatieve methodes, zoals getoond in Figuur 4.
  Veel vooraanstaande onderzoekers hebben RF-energie-oogst verbeterd met verschillende benaderingen en strategieën. Chang-Yeob Chu et al. onderzochten het systeemontwerp voor het opladen van elektrische auto’s, rekening houdend met een breed scala aan variaties in koppeling door spoel-misalignement. Koichiro Ishibashi en collega’s stelden de radiofrequentie-eigenschappen van gelijkrichterapparaten voor bij energie-oogst uit de omgeving.

Mohamed Zied et al. onderzochten de invloed van draadloze energieoverdracht op de toekomst van oorlogvoering wereldwijd en de gevolgen voor de rangschikking van landen op basis van militaire macht. Het onderzoek keek naar twee factoren: de impact van microgolf energiebronnen en het effect van afstand op de verzwakking. Ze onderzochten ook het opzetten van IoT-sensoren die van stroom worden voorzien via RF-energie-terugwinning. Mohamed Zied et al. concludeerden dat alle parameters efficiënt energie leverden om 5 W LED-lampen draadloos te voeden op afstanden van meer dan vijf meter.

Nermeen A. Eltresy et al. onderzochten een CPIFA-antenne om RF-energie te oogsten op drie verschillende frequentiebanden: GSM 900, GSM 1800 en Wi-Fi 2400. Volgens hun analyse is het doel van een aanpassingscircuit om de voorgestelde antenne af te stemmen op een gelijkrichter, zodat maximale energieoverdracht en minimale verliezen worden bereikt. Ze oogstten met succes een uitgang van 624 mV bij 0 dBm ingangsvermogen.

Diffa Pinto et al. evalueerden de prestaties en stelden een relatie vast tussen procesparameters voor energie-oogst en het aantal gelijkrichterschakelingen. Ze ontwikkelden een raamwerk voor een Wi-Fi-energie-oogstsysteem op basis van een 7-traps Villard-gelijkrichter spanningsvermenigvuldiger, dat werd geanalyseerd en gesimuleerd met Agilent Design Systems (ADS). De uitgang van de vermenigvuldiger gaat naar de energiebeheer-unit (PMU). Met de toename van toepassingen zoals slimme woningcommunicatie, IoT, slimme gezondheidszorg en milieumonitoring is de vraag naar energiezuinige elektronische apparaten sterk gestegen.

Deze oplossing zorgt voor twee essentiële onderdelen voor IoT in slimme woningen: een betrouwbare stroomvoorziening voor draadloos opladen van batterijen van apparaten en continue zelfvoorziening van elke IoT-sensor met behulp van RF-energie, via signalen zoals Wi-Fi, 4G, WiMax, 5G of andere radiofrequenties in de omgeving. Deze technologie kan veel elektronische apparaten voeden via de geïntegreerde en vaste oogstsystemen van IoT. Dit aspect laat de effectiviteit van draadloos energie-oogsten in slimme steden zien en verhoogt de intelligentie en veiligheid in het dagelijks leven. De gelijkrichterschakeling zet de ontvangen RF-energie efficiënt om via Schottky-diodes, een energiebeheer-circuit en een laagdoorlaatfilter, allemaal direct verbonden met het IoT-apparaat.

Meer over draadloze energieoverdracht

Voor meer informatie over draadloze energieoverdracht kun je het boek van Mohamed Zied Chaari lezen, Wireless Power Design  (Elektor 2025), waaruit dit artikel (hoofdstuk 2) afkomstig is.