Drahtlose Energieübertragung (WPT), drahtlose Energieübertragung (WET) oder elektromagnetische Energieübertragung ist die Übertragung von elektrischer Energie ohne Kabel als physikalische Verbindung. In einem drahtlosen Energieübertragungssystem erzeugt eine Sendervorrichtung, die durch elektrische Energie von einer Energiequelle angetrieben wird, ein zeitveränderliches elektromagnetisches Feld, das Energie über den Raum zu einer Empfängervorrichtung überträgt, die Energie aus dem Feld entnimmt und an ein elektrisches Feld liefert Belastung. Die drahtlose Energieübertragung ist nützlich, um elektrische Geräte zu versorgen, bei denen Verbindungskabel unbequem, gefährlich oder nicht möglich sind.

Drahtlose Energietechniken fallen hauptsächlich in zwei Kategorien, nicht strahlend und strahlend.Bei Nahfeld- oder nichtstrahlenden Techniken wird Energie über kurze Strecken durch magnetische Felder übertragen, wobei eine induktive Kopplung zwischen Drahtspulen oder durch elektrische Felder unter Verwendung einer kapazitiven Kopplung zwischen Metallelektroden verwendet wird.Induktive Kopplung ist die am weitesten verbreitete drahtlose Technologie; Zu seinen Anwendungen zählen das Aufladen von tragbaren Geräten wie Telefonen und elektrischen Zahnbürsten, RFID-Tags sowie die drahtlose oder kontinuierliche drahtlose Energieübertragung in implantierbaren medizinischen Geräten wie künstlichen Herzschrittmachern oder Elektrofahrzeugen.

Bei Fernfeld- oder Strahlungstechniken, die auch als Leistungsstrahlen bezeichnet werden, wird Energie durch Strahlen elektromagnetischer Strahlung, wie Mikrowellen oder Laserstrahlen, übertragen. Diese Techniken können Energie über längere Strecken transportieren, müssen aber auf den Empfänger gerichtet sein. Vorgeschlagene Anwendungen für diesen Typ sind Solarstromsatelliten und drahtlos betriebene Drohnen.

Ein wichtiges Problem, das mit allen drahtlosen Stromversorgungssystemen verbunden ist, ist die Beschränkung der Exposition von Menschen und anderen Lebewesen auf potentiell schädliche elektromagnetische Felder.

Feldregionen
Elektrische und magnetische Felder werden durch geladene Teilchen in Materie wie Elektronen erzeugt. Eine stationäre Ladung erzeugt ein elektrostatisches Feld im umgebenden Raum. Ein stetiger Ladestrom (Gleichstrom, DC) erzeugt ein statisches Magnetfeld um ihn herum. Die obigen Felder enthalten Energie, können aber keine Energie übertragen, weil sie statisch sind. Jedoch können zeitlich variierende Felder Energie übertragen. Beschleunigende elektrische Ladungen, wie sie in einem Wechselstrom (AC) von Elektronen in einem Draht auftreten, erzeugen zeitvariable elektrische und magnetische Felder in dem Raum um sie herum. Diese Felder können oszillierende Kräfte auf die Elektronen in einer empfangenden „Antenne“ ausüben, wodurch sie sich hin und her bewegen. Diese stellen Wechselstrom dar, der zum Ansteuern einer Last verwendet werden kann.

Die oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder, die sich bewegende elektrische Ladungen in einer Antennenvorrichtung umgeben, können in zwei Bereiche unterteilt werden, abhängig von der Entfernung D von der Antenne. Die Grenze zwischen den Regionen ist etwas vage definiert. Die Felder haben unterschiedliche Eigenschaften in diesen Regionen, und verschiedene Technologien werden für die Übertragung von Energie verwendet:

Nahfeld oder nichtstrahlende Region – Dies bedeutet die Fläche innerhalb von etwa 1 Wellenlänge (& lgr;) der Antenne. In diesem Bereich sind die oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder getrennt und die Energie kann durch elektrische Felder durch kapazitive Kopplung (elektrostatische Induktion) zwischen Metallelektroden oder durch magnetische Felder durch induktive Kopplung (elektromagnetische Induktion) zwischen Drahtspulen übertragen werden. Diese Felder sind nicht strahlend, dh die Energie bleibt in einer kurzen Entfernung vom Sender. Wenn es kein empfangendes Gerät oder absorbierendes Material in ihrem begrenzten Bereich zum „Koppeln“ gibt, verlässt keine Energie den Sender. Die Reichweite dieser Felder ist kurz und hängt von der Größe und Form der „Antennen“ -Geräte ab, bei denen es sich normalerweise um Drahtspulen handelt. Die Felder und somit die übertragene Leistung nehmen exponentiell mit der Entfernung ab, so dass, wenn der Abstand zwischen den beiden „Antennen“ D- _Bereichen viel größer als der Durchmesser der „Antennen“ D ist, sehr wenig Leistung empfangen wird. Daher können diese Techniken nicht für eine Kraftübertragung über große Entfernungen verwendet werden.

Resonanz, wie resonante induktive Kopplung, kann die Kopplung zwischen den Antennen stark erhöhen, was eine effiziente Übertragung in etwas größeren Entfernungen ermöglicht, obwohl die Felder immer noch exponentiell abnehmen. Daher wird die Reichweite von Nahfeldgeräten üblicherweise in zwei Kategorien unterteilt:

Kurze Reichweite – bis zu einem Antennendurchmesser: D _Bereich ≤ D _ant . Dies ist der Bereich, über den gewöhnliche nichtresonante kapazitive oder induktive Kopplung praktische Energiemengen übertragen kann.

Mittlerer Bereich – bis zum 10-fachen Antennendurchmesser: D- _Bereich ≤ 10 D _ant . Dies ist der Bereich, über den resonante kapazitive oder induktive Kopplung praktische Energiemengen übertragen kann.

Fernfeld oder Strahlungsbereich – Jenseits einer Wellenlänge (& lgr;) der Antenne sind die elektrischen und magnetischen Felder senkrecht zueinander und breiten sich als eine elektromagnetische Welle aus; Beispiele sind Radiowellen, Mikrowellen oder Lichtwellen. Dieser Teil der Energie ist strahlend, dh er verlässt die Antenne, unabhängig davon, ob ein Empfänger vorhanden ist oder nicht. Der Teil der Energie, der nicht auf die Empfangsantenne auftrifft, wird abgeleitet und geht an das System verloren. Die Menge der von einer Antenne als elektromagnetische Wellen emittierten Leistung hängt von dem Verhältnis der Antennengröße Dant zu der Wellenlänge der Wellen λ ab, die durch die Frequenz bestimmt wird: λ = c / f. Bei niedrigen Frequenzen f, bei denen die Antenne viel kleiner ist als die Größe der Wellen, D _ant << λ, wird sehr wenig Leistung abgestrahlt. Daher strahlen die oben genannten Nahfeldvorrichtungen, die niedrigere Frequenzen verwenden, fast keine ihrer Energie als elektromagnetische Strahlung aus. Antennen mit der gleichen Größe wie die Wellenlänge D _ant ≈ λ, wie Monopol- oder Dipolantennen, strahlen Leistung effizient ab, aber die elektromagnetischen Wellen werden in alle Richtungen abgestrahlt (omnidirektional), wenn also die Empfangsantenne weit entfernt ist, nur eine geringe Menge die Strahlung wird es treffen. Daher können diese für eine kurzreichweitige, ineffiziente Kraftübertragung verwendet werden, jedoch nicht für eine Fernübertragung.

Im Gegensatz zu Feldern kann elektromagnetische Strahlung jedoch durch Reflexion oder Brechung in Strahlen fokussiert werden. Durch die Verwendung einer Antenne mit hoher Verstärkung oder eines optischen Systems, die die Strahlung in einem schmalen Strahl bündelt, der auf den Empfänger gerichtet ist, kann sie für eine Übertragung über große Entfernungen verwendet werden.Aus dem Rayleigh-Kriterium, um die schmalen Strahlen zu erzeugen, die notwendig sind, um eine signifikante Menge der Energie auf einen entfernten Empfänger zu fokussieren, muss eine Antenne viel größer als die Wellenlänge der verwendeten Wellen sein: D _ant >> λ = c / f. Praktische Strahlleistungsvorrichtungen erfordern Wellenlängen im Zentimeterbereich oder darunter, was Frequenzen oberhalb von 1 GHz im Mikrowellenbereich oder darüber entspricht.

Nahfeld (nicht-strahlende) Techniken
Bei großen relativen Abständen sind die Nahfeldkomponenten von elektrischen und magnetischen Feldern näherungsweise quasistatische oszillierende Dipolfelder. Diese Felder nehmen mit dem Würfel der Entfernung ab: ( D _Bereich / D _ant ) -3 Da die Leistung proportional zum Quadrat der Feldstärke ist, nimmt die übertragene Leistung ab als ( D _Bereich / D _ant ) -6. oder 60 dB pro Dekade.Mit anderen Worten, wenn sie weit voneinander entfernt sind, führt eine Verdopplung der Entfernung zwischen den beiden Antennen dazu, dass die empfangene Leistung um den Faktor 2 ⁶ = 64 abnimmt. Dadurch kann die induktive und kapazitive Kopplung nur für die Kurzstrecken-Leistungsübertragung verwendet werden ein paar Mal der Durchmesser der Antennenvorrichtung D_ant . Anders als in einem Strahlungssystem, wo die maximale Strahlung auftritt, wenn die Dipolantennen quer zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet sind, tritt die maximale Kopplung bei Dipolfeldern auf, wenn die Dipole in Längsrichtung orientiert sind.

Induktive Kopplung
Bei der induktiven Kopplung (elektromagnetische Induktion oder induktive Energieübertragung, IPT) wird die Energie zwischen den Drahtspulen durch ein Magnetfeld übertragen. Die Sender- und Empfängerspulen bilden zusammen einen Transformator (siehe Diagramm). Ein Wechselstrom (AC) durch die Senderspule (L1) erzeugt ein oszillierendes Magnetfeld (B) durch das Ampere-Gesetz.Das Magnetfeld durchläuft die Empfangsspule (L2), wo es durch das Faradaysche Induktionsgesetz eine alternierende EMK (Spannung) induziert, die im Empfänger einen Wechselstrom erzeugt. Der induzierte Wechselstrom kann entweder die Last direkt antreiben oder durch einen Gleichrichter im Empfänger, der die Last antreibt, zu Gleichstrom (DC) gleichgerichtet werden. Einige Systeme, wie Ladeständer für elektrische Zahnbürsten, arbeiten mit 50/60 Hz, so dass Wechselstrom direkt an die Sendespule angelegt wird, aber in den meisten Systemen erzeugt ein elektronischer Oszillator einen Wechselstrom mit höherer Frequenz, der die Spule antreibt, weil die Übertragungseffizienz verbessert sich mit der Frequenz.

Die induktive Kopplung ist die älteste und am weitesten verbreitete drahtlose Energietechnologie, und praktisch die einzige, die bisher in kommerziellen Produkten verwendet wird. Es wird in induktiven Ladestationen für schnurlose Geräte verwendet, die in feuchten Umgebungen wie elektrischen Zahnbürsten und Rasierern verwendet werden, um die Gefahr eines Stromschlags zu verringern. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das „transkutane“ Aufladen von im menschlichen Körper implantierten biomedizinischen Prothesen, wie Herzschrittmachern und Insulinpumpen, um zu vermeiden, dass Drähte durch die Haut verlaufen. Es wird auch verwendet, um Elektrofahrzeuge wie Autos aufzuladen und Transitfahrzeuge wie Busse und Züge entweder zu laden oder zu laden.
Die am schnellsten wachsende Verwendung sind jedoch drahtlose Ladepads zum Aufladen von mobilen und tragbaren drahtlosen Geräten wie Laptop- und Tablet-Computern, Mobiltelefonen, digitalen Medienabspielgeräten und Videospielsteuerungen.

Die übertragene Leistung nimmt mit der Frequenz und der Gegeninduktivität zu  zwischen den Spulen, was von ihrer Geometrie und dem Abstand abhängt  zwischen ihnen. Eine häufig verwendete Gütezahl ist der Kopplungskoeffizient  . Dieser dimensionslose Parameter ist gleich dem Bruchteil des magnetischen Flusses durch die Sendespule das geht durch die Empfängerspule  wenn L2 offen ist. Wenn die beiden Spulen auf der gleichen Achse liegen und so zusammen schließen, fließt der gesamte magnetische Fluss ab durchläuft  ,  und die Verbindungseffizienz nähert sich 100%. Je größer die Trennung zwischen den Spulen ist, desto mehr des Magnetfelds von der ersten Spule verfehlt die zweite und die niedrigere  und die Verbindungseffizienz nähert sich bei großen Abständen Null an. Die Verbindungseffizienz und übertragene Leistung ist ungefähr proportional zu  . Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, müssen die Spulen sehr nahe beieinander liegen, ein Bruchteil des Spulendurchmessers  in der Regel innerhalb von Zentimetern, wobei die Achsen der Spulen ausgerichtet sind. Zur Erhöhung der Kopplung werden üblicherweise breite, flache Spulenformen verwendet. Ferrit- „Flusseinschluss“ -Kerne können die Magnetfelder begrenzen, wodurch die Kopplung verbessert und Interferenzen mit nahegelegener Elektronik verringert werden, aber sie sind schwer und sperrig, so dass kleine drahtlose Geräte oft Luftspulen verwenden.

Eine gewöhnliche induktive Kopplung kann nur dann einen hohen Wirkungsgrad erreichen, wenn die Spulen sehr nahe beieinander liegen, üblicherweise benachbart. In den meisten modernen induktiven Systemen wird eine resonante induktive Kopplung verwendet, bei der der Wirkungsgrad durch Verwendung von Resonanzkreisen erhöht wird. Dies kann hohe Wirkungsgrade bei größeren Entfernungen als nichtresonante induktive Kopplung erreichen.

Resonanzinduktive Kopplung
Die resonante induktive Kopplung (elektrodynamische Kopplung, stark gekoppelte Magnetresonanz) ist eine Form der induktiven Kopplung, bei der die Leistung durch Magnetfelder (B, grün) zwischen zwei Schwingkreisen (Schwingkreise) im Sender und im Empfänger ( siehe Diagramm, rechts).Jeder Resonanzkreis besteht aus einer Drahtspule, die mit einem Kondensator oder einer Eigenresonanzspule oder einem anderen Resonator mit interner Kapazität verbunden ist. Die beiden sind abgestimmt, um bei der gleichen Resonanzfrequenz zu schwingen. Die Resonanz zwischen den Spulen kann die Kopplung und Kraftübertragung stark erhöhen, analog zu der Art und Weise, wie eine vibrierende Stimmgabel sympathische Schwingungen in einer auf die gleiche Tonhöhe abgestimmten entfernten Gabel induzieren kann.

Nikola Tesla entdeckte erstmals die resonante Kopplung während seiner bahnbrechenden Experimente zur drahtlosen Energieübertragung um die Wende zum 20. Jahrhundert. Die Möglichkeiten der resonanten Kopplung zur Erhöhung der Reichweite wurden jedoch erst kürzlich untersucht. Im Jahr 2007 nutzte ein Team um Marin Soljačić am MIT zwei gekoppelte Schwingkreise, die jeweils aus einer 25 cm langen, selbstschwingenden Drahtspule mit 10 MHz bestanden, um 60 W Leistung über eine Distanz von 2 Metern zu übertragen ( 8 mal der Spulendurchmesser) bei etwa 40% Wirkungsgrad. Soljačić gründete die Firma WiTricity (der gleiche Name, den das Team für die Technologie verwendete), der versucht, die Technologie zu kommerzialisieren.

Das Konzept hinter resonanten induktiven Kopplungssystemen besteht darin, dass Resonatoren mit einem hohen Q-Faktor die Energie mit einer viel höheren Rate austauschen, als sie aufgrund der internen Dämpfung Energie verlieren. Daher kann unter Verwendung der Resonanz die gleiche Energiemenge in größeren Entfernungen übertragen werden, wobei die viel schwächeren Magnetfelder in den Randbereichen („Schwänzen“) der Nahfelder (diese werden manchmal als evaneszente Felder bezeichnet) verwendet werden. Die resonante induktive Kopplung kann einen hohen Wirkungsgrad in Bereichen von 4 bis 10 mal des Spulendurchmessers erreichen ( D _ant ).Dies wird als Übertragung im „mittleren Bereich“ bezeichnet, im Gegensatz zu dem „kurzen Bereich“ der nichtresonanten induktiven Übertragung, der ähnliche Wirkungsgrade nur erreichen kann, wenn die Spulen benachbart sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Resonanzkreise so viel stärker miteinander interagieren als bei nicht resonanten Objekten, dass Leistungsverluste aufgrund von Absorption in benachbarten Streuobjekten vernachlässigbar sind.

Ein Nachteil der Resonanzkopplungstheorie besteht darin, dass die Resonanzfrequenz des Systems bei engen Bereichen, wenn die beiden Resonanzkreise eng gekoppelt sind, nicht mehr konstant ist, sondern sich in zwei Resonanzspitzen „aufteilt“, so dass die maximale Leistungsübertragung am Original nicht mehr auftritt Resonanzfrequenz und die Oszillatorfrequenz müssen auf den neuen Resonanzpeak abgestimmt sein. Der Fall der Verwendung eines solchen verschobenen Peaks wird „single resonant“ genannt. Die „single resonant“ -Systeme wurden ebenfalls verwendet, bei denen nur der Sekundärkreis ein abgestimmter Schaltkreis ist. Das Prinzip dieses Phänomens wird auch als „(magnetische) Phasensynchronisation“ bezeichnet und begann bereits in der Praxis für AGV in Japan um 1993 herum. Und nun wird das Konzept des hochresonanten Forschers des MIT nur auf den sekundärseitigen Resonator angewendet. und ein Hochleistungs-Breitband-Hochleistungs-Hochleistungs-Energieübertragungssystem wird realisiert und es wird für den Induktionsstromkollektor von SCMaglev verwendet.

Resonanztechnologie wird gegenwärtig weit verbreitet in modernen induktiven drahtlosen Stromversorgungssystemen verwendet. Eine der Möglichkeiten, die für diese Technologie in Betracht gezogen werden, ist die drahtlose Reichweite des Bereichs. Eine Spule in der Wand oder Decke eines Raums könnte Licht und mobile Geräte drahtlos mit einer angemessenen Effizienz überall im Raum mit Strom versorgen. Ein umwelttechnischer und wirtschaftlicher Vorteil der drahtlosen Stromversorgung kleiner Geräte wie Uhren, Radios, Musikabspielgeräte und Fernbedienungen ist, dass die jährlich entsorgten 6 Milliarden Batterien, eine große Quelle für giftige Abfälle und Grundwasserverschmutzung, drastisch reduziert werden könnten.

Kapazitive Kopplung
Bei der kapazitiven Kopplung (elektrostatische Induktion), dem Konjugat der induktiven Kopplung, wird Energie durch elektrische Felder zwischen Elektroden wie Metallplatten übertragen. Die Sende- und Empfangselektroden bilden einen Kondensator, mit dem Zwischenraum als Dielektrikum. Eine von dem Sender erzeugte Wechselspannung wird an die Übertragungsplatte angelegt, und das oszillierende elektrische Feld induziert durch elektrostatische Induktion ein Wechselpotential auf der Empfängerplatte, wodurch ein Wechselstrom in dem Lastkreis fließt. Die übertragene Leistungsmenge erhöht sich mit der Frequenz des Spannungsquadrats und der Kapazität zwischen den Platten, die proportional zur Fläche der kleineren Platte und (für kurze Entfernungen) umgekehrt proportional zur Trennung ist.

Kapazitive Kopplung wurde nur praktisch in wenigen Anwendungen mit geringer Leistung verwendet, da die sehr hohen Spannungen an den Elektroden, die für die Übertragung von beträchtlicher Leistung erforderlich sind, gefährlich sein können und unangenehme Nebenwirkungen wie die Erzeugung von schädlichem Ozon verursachen können. Im Gegensatz zu magnetischen Feldern interagieren elektrische Felder aufgrund der dielektrischen Polarisation stark mit den meisten Materialien, einschließlich des menschlichen Körpers. Intervenierende Materialien zwischen oder nahe den Elektroden können die Energie absorbieren, im Falle von Menschen, die möglicherweise eine übermäßige Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern verursachen. Die kapazitive Kopplung hat jedoch einige Vorteile gegenüber der induktiven Kopplung. Das Feld ist weitgehend zwischen den Kondensatorplatten eingeschlossen, was die Interferenz reduziert, was bei der induktiven Kopplung schwere Ferrit- „Flusseinschluss“ -Kerne erfordert. Außerdem sind die Ausrichtungsanforderungen zwischen dem Sender und dem Empfänger weniger kritisch. Kapazitive Kopplung wurde kürzlich zum Aufladen batteriebetriebener tragbarer Geräte sowie zum Laden oder kontinuierlichen drahtlosen Energietransfer in biomedizinischen Implantaten angewendet und wird als ein Mittel zum Übertragen von Energie zwischen Substratschichten in integrierten Schaltungen betrachtet.

Es wurden zwei Arten von Schaltungen verwendet:
Bipolares Design: In dieser Art von Schaltung gibt es zwei Senderplatten und zwei Empfängerplatten. Jede Senderplatte ist mit einer Empfängerplatte verbunden. Der Senderoszillator treibt die Senderplatten gegenphasig (180 ° Phasendifferenz) durch eine hohe Wechselspannung an und die Last ist zwischen den beiden Empfängerplatten angeschlossen. Die elektrischen Wechselfelder induzieren Wechselpotentiale entgegengesetzter Phase in den Empfängerplatten, und diese „Gegentakt“ -Aktion bewirkt, dass Strom zwischen den Platten durch die Last hin und her fließt. Ein Nachteil dieser Konfiguration für das drahtlose Laden besteht darin, dass die zwei Platten in der Empfangsvorrichtung gegenüber den Ladeplatten ausgerichtet sein müssen, damit das Gerät arbeiten kann.

Unipolares Design: In dieser Art von Schaltung haben der Sender und der Empfänger nur eine aktive Elektrode, und entweder die Masse oder eine große passive Elektrode dient als Rückweg für den Strom. Der Senderoszillator ist zwischen eine aktive und eine passive Elektrode geschaltet. Die Last ist auch zwischen einer aktiven und einer passiven Elektrode angeschlossen. Das durch den Sender erzeugte elektrische Feld induziert eine Wechselladungsverschiebung in dem Belastungsdipol durch elektrostatische Induktion.

Resonante kapazitive Kopplung
Resonanz kann auch mit kapazitiver Kopplung verwendet werden, um den Bereich zu erweitern. An der Wende zum 20. Jahrhundert führte Nikola Tesla die ersten Experimente mit resonanter, induktiver und kapazitiver Kopplung durch.

Magnetodynamische Kopplung
Bei diesem Verfahren wird Energie zwischen zwei rotierenden Ankern übertragen, einer im Sender und einer im Empfänger, die sich synchron drehen, wobei sie durch ein Magnetfeld gekoppelt sind, das von Permanentmagneten auf den Ankern erzeugt wird. Der Senderanker wird entweder durch oder als der Rotor eines Elektromotors gedreht, und sein Magnetfeld übt ein Drehmoment auf den Empfängeranker aus und dreht ihn. Das Magnetfeld wirkt wie eine mechanische Kopplung zwischen den Ankern. Der Empfängeranker erzeugt Energie, um die Last anzutreiben, entweder durch Drehen eines separaten elektrischen Generators oder durch Verwenden des Empfängerankers selbst als Rotor in einem Generator.

Diese Vorrichtung wurde als Alternative zur induktiven Leistungsübertragung zum kontaktlosen Laden von Elektrofahrzeugen vorgeschlagen. Ein rotierender Anker, der in einem Garagenboden oder Bordstein eingebettet ist, würde einen Empfängeranker in der Unterseite des Fahrzeugs drehen, um seine Batterien zu laden. Es wird behauptet, dass diese Technik Kraft über Entfernungen von 10 bis 15 cm (4 bis 6 Zoll) mit hoher Effizienz übertragen kann, über 90%. Außerdem erzeugen die von den rotierenden Magneten erzeugten niederfrequenten magnetischen Streufelder weniger elektromagnetische Störungen bei elektronischen Geräten in der Nähe als die von induktiven Kopplungssystemen erzeugten hochfrequenten Magnetfelder. Ein Prototypsystem zum Laden von Elektrofahrzeugen ist seit 2012 an der Universität von British Columbia in Betrieb. Andere Forscher behaupten jedoch, dass die beiden Energieumwandlungen (elektrisch zu mechanisch zu elektrisch) das System weniger effizient machen als elektrische Systeme wie induktive Kopplung.

Fernfeld (strahlende) Techniken
Fernfeldmethoden erreichen längere Reichweiten, oft mehrere Kilometer, wobei die Entfernung viel größer ist als der Durchmesser der Vorrichtung (en). Antennen mit hohem Richtfaktor oder gut kollimiertes Laserlicht erzeugen einen Energiestrahl, der an die Form des Empfangsbereichs angepasst werden kann. Die maximale Richtwirkung für Antennen ist physikalisch durch Beugung begrenzt.

Im Allgemeinen sind sichtbares Licht (von Lasern) und Mikrowellen (von zweckbestimmten Antennen) die Formen elektromagnetischer Strahlung, die am besten zur Energieübertragung geeignet sind.
Die Abmessungen der Komponenten können durch die Entfernung von Sender zu Empfänger, die Wellenlänge und das Rayleigh-Kriterium oder die Beugungsgrenze bestimmt sein, die in dem Standard-Radiofrequenz-Antennendesign verwendet werden, das auch für Laser gilt. Die Diffraktionsgrenze von Airy wird auch häufig verwendet, um eine ungefähre Punktgröße in einem willkürlichen Abstand von der Öffnung zu bestimmen. Elektromagnetische Strahlung erfährt weniger Beugung bei kürzeren Wellenlängen (höhere Frequenzen); So wird beispielsweise ein blauer Laser weniger als ein roter gebeugt.

Das Rayleigh-Kriterium schreibt vor, dass jede Funkwelle, jede Mikrowelle oder jeder Laserstrahl sich ausbreitet und schwächer wird und über die Entfernung diffundiert; Je größer die Sendeantenne oder die Laseröffnung im Vergleich zur Wellenlänge der Strahlung ist, desto dichter wird der Strahl und desto weniger wird er sich als Funktion der Entfernung ausbreiten (und umgekehrt). Kleinere Antennen leiden auch an übermäßigen Verlusten aufgrund von Nebenkeulen. Das Konzept der Laseröffnung unterscheidet sich jedoch erheblich von einer Antenne. Typischerweise induziert eine Laseröffnung, die viel größer als die Wellenlänge ist, mehrmodige Strahlung, und meistens werden Kollimatoren verwendet, bevor die emittierte Strahlung in eine Faser oder in den Raum koppelt.

Letztendlich wird die Strahlbreite physikalisch durch die Beugung aufgrund der Grße der Schale in Bezug auf die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bestimmt, die verwendet wird, um den Strahl zu erzeugen.
Mikrowellenstrahlung kann effizienter als Laser sein und ist weniger anfällig für atmosphärische Dämpfung durch Staub oder Wasserdampf.

Hier werden die Leistungspegel berechnet, indem die obigen Parameter miteinander kombiniert werden und die Verstärkungen und Verluste aufgrund der Antenneneigenschaften und der Transparenz und Streuung des Mediums, durch das die Strahlung hindurchgeht, hinzugefügt werden. Dieser Prozess wird als Berechnen eines Linkbudgets bezeichnet.

Mikrowellen
Die Übertragung von Energie über Radiowellen kann mehr gerichtet sein, was eine Strahlungsmessung mit größerer Entfernung ermöglicht, mit kürzeren Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung, typischerweise im Mikrowellenbereich. Ein Recentenay kann verwendet werden, um die Mikrowellenenergie wieder in Elektrizität umzuwandeln. Rectenna-Konversionseffizienzen von mehr als 95% wurden realisiert. Für die Übertragung von Energie von umkreisenden Solarenergiesatelliten zur Erde wurde eine Leistungsstrahlung unter Verwendung von Mikrowellen vorgeschlagen, und es wurde in Erwägung gezogen, die Energie zu einem Raumfahrzeug, das die Umlaufbahn verlässt, zu senden.

Leistungsstrahlen durch Mikrowellen haben die Schwierigkeit, dass für die meisten Weltraumanwendungen die erforderlichen Aperturgrößen aufgrund der beugungsbegrenzenden Antennenausrichtung sehr groß sind. Zum Beispiel erforderte die NASA-Studie von 1978 über Solarstromanlagen eine Sendeantenne mit einem Durchmesser von einem Kilometer und eine Empfangsantenne mit einem Durchmesser von 10 Kilometern mit einem Mikrowellenstrahl von 2,45 GHz. Diese Grßen können durch Verwendung kürzerer Wellenlängen etwas verringert werden, obwohl kurze Wellenlängen Schwierigkeiten mit atmosphärischer Absorption und Strahlblockierung durch Regen oder Wassertröpfchen haben können. Wegen des „ausgedünnten Array-Fluchs“ ist es nicht möglich, einen schmaleren Strahl zu erzeugen, indem die Strahlen mehrerer kleinerer Satelliten kombiniert werden.

Für erdgebundene Anwendungen ermöglicht ein großflächiges Empfangsfeld mit einem Durchmesser von 10 km, dass große Gesamtleistungspegel verwendet werden können, während mit der für die Sicherheit bei der elektromagnetischen Sicherheit von Menschen vorgeschlagenen niedrigen Leistungsdichte gearbeitet wird. Eine menschliche sichere Leistungsdichte von 1 mW / cm 2, die über einen Bereich von 10 km Durchmesser verteilt ist, entspricht einer Gesamtleistung von 750 Megawatt. Dies ist die Leistungsstufe, die in vielen modernen elektrischen Kraftwerken zu finden ist.

Laser
Im Fall von elektromagnetischer Strahlung, die näher am sichtbaren Bereich des Spektrums liegt (einige zehn Mikrometer bis einige zehn Nanometer), kann Strom durch Umwandlung von Elektrizität in einen Laserstrahl übertragen werden, der dann auf eine photovoltaische Zelle gerichtet wird.Dieser Mechanismus wird allgemein als „Power Beaming“ bezeichnet, da die Energie an einem Empfänger übertragen wird, der sie in elektrische Energie umwandeln kann. Am Empfänger werden spezielle photovoltaische Laserleistungswandler eingesetzt, die für die monochromatische Lichtwandlung optimiert sind.

Vorteile gegenüber anderen drahtlosen Methoden sind:
Die kollimierte monochromatische Wellenfrontausbreitung ermöglicht eine enge Strahlquerschnittsfläche für die Übertragung über große Entfernungen.
Kompakte Größe: Festkörperlaser passen in kleine Produkte.
Keine Funkfrequenzstörungen bei bestehender Funkkommunikation wie WLAN und Mobiltelefonen.
Zugangskontrolle: Nur vom Laser getroffene Empfänger erhalten Strom.

Zu den Nachteilen gehören:
Laserstrahlung ist gefährlich. Niedrige Energieniveaus können Menschen und andere Tiere blind machen. Hohe Leistungspegel können durch lokalisierte punktuelle Erwärmung abgetötet werden.
Die Umwandlung zwischen Strom und Licht ist begrenzt. Photovoltaische Zellen erreichen eine Effizienz von 40% bis 50%. (Die Umwandlungseffizienz von Laserlicht in Elektrizität ist viel höher als die von Sonnenlicht in Elektrizität).
Die atmosphärische Absorption sowie die Absorption und Streuung durch Wolken, Nebel, Regen usw. verursachen Verluste von bis zu 100%.
Benötigt eine direkte Sichtlinie zum Ziel. (Anstatt direkt auf den Empfänger strahlend, kann das Laserlicht auch durch eine optische Faser geführt werden. Dann spricht man von Power-over-Fiber-Technologie.)

Atmosphärische Plasmakanalkopplung
Bei der atmosphärischen Plasmakanalkopplung wird Energie zwischen zwei Elektroden durch elektrische Leitung durch ionisierte Luft übertragen. Wenn ein elektrischer Feldgradient zwischen den zwei Elektroden existiert, der 34 Kilovolt pro Zentimeter bei Atmosphärendruck auf Meereshöhe überschreitet, tritt ein elektrischer Lichtbogen auf. Dieser atmosphärische dielektrische Durchschlag führt zu einem Stromfluss entlang einer zufälligen Trajektorie durch einen ionisierten Plasmakanal zwischen den zwei Elektroden. Ein Beispiel dafür ist der natürliche Blitz, bei dem eine Elektrode ein virtueller Punkt in einer Wolke und der andere ein Punkt auf der Erde ist. Laserinduzierte Plasmakanäle (LIPC) werden derzeit mit ultraschnellen Lasern erforscht, um die Entwicklung des Plasmakanals durch die Luft künstlich zu fördern, den Lichtbogen zu lenken und den Strom auf kontrollierbare Weise über einen bestimmten Weg zu leiten. Die Laserenergie reduziert die atmosphärische dielektrische Durchschlagsspannung und die Luft wird durch Überhitzung weniger isolierend gemacht, was die Dichte p des Luftfilaments verringert.

Dieses neue Verfahren wird zur Verwendung als Laserableiter und als Mittel zur Auslösung von Blitzen aus Wolken für natürliche Blitzkanaluntersuchungen, für Untersuchungen der atmosphärischen Ausbreitung in der Atmosphäre, als Ersatz für herkömmliche Radioantennen, für Anwendungen im Zusammenhang mit Elektroschweißen und Bearbeitung, um Energie von Hochspannungskondensatorentladungen abzulenken, für gerichtete Energiewaffenanwendungen, die elektrische Leitung durch einen Erdungsrückweg verwenden, und elektronisches Stören.

Energiegewinnung
Im Zusammenhang mit drahtloser Energie ist das Energy Harvesting, auch Power Harvesting oder Energy Scavenging genannt, die Umwandlung von Umgebungsenergie aus der Umgebung in elektrischen Strom, hauptsächlich um kleine autonome drahtlose elektronische Geräte mit Energie zu versorgen Felder oder Radiowellen von nahegelegenen elektrischen Geräten, Licht, Wärmeenergie (Wärme) oder kinetische Energie wie Vibration oder Bewegung des Geräts. Obwohl die Umwandlungseffizienz normalerweise niedrig ist und die Leistung oft sehr klein ist (Milliwatt oder Mikrowatt), kann sie ausreichend sein, um kleine drahtlose Micropower-Geräte wie Fernsensoren, die in vielen Bereichen eingesetzt werden, zu betreiben oder wiederaufzuladen. Diese neue Technologie wird entwickelt, um die Notwendigkeit eines Batteriewechsels oder eines Ladevorgangs für solche drahtlosen Geräte zu beseitigen, so dass diese vollständig autonom arbeiten können.