BME VIK - Vezeték nélküli energiaátvitel

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Gyimóthy Szabolcs,

4. A tantárgy előadója

Név:	Beosztás:	Tanszék, Int.:
Dr. Bilicz Sándor	docens	Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék
Dr. Farkas Csaba	adjunktus	Villamos Energetika Tanszék
Dr. Gyimóthy Szabolcs	egyetemi tanár	Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék
Dr. Horváth Péter	docens	Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék
Szűcs László	tudományos segédmunkatárs	Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Hálózatanalízis, elektromágneses alapjelenségek.

7. A tantárgy célkitűzése Napjainkban a vezeték nélküli energiaátvitel robbanásszerű fejlődés előtt áll. A „mindenütt jelenlévő energia” technológiája eddig soha nem látott mobilitást kölcsönözhet eszközeinknek, járműveinknek, és csökkentheti a villamosenergia tárolásának problémáját. A környezeti energia hasznosításával (energy harvesting) többek között megoldható a szenzorhálózatok vezeték nélküli táplálása, amely a „dolgok internetének” (internet of things, IoT) fontos eleme.
Éppen ezért lényegesnek tartjuk, hogy a jövő villamosmérnöke tisztában legyen ezen technológiák lehetőségeivel, elméleti hátterével és gyakorlati-tervezési kérdéseivel. Mivel a területnek egyaránt vannak villamosenergetikai, térelméleti és nagyfrekvenciás technológiai vonzatai, ezért a tárgyat a két tanszék (HVT és VET) közösen oktatja. Az órák egy részét tanszéki laborban tartjuk, ahol rendelkezésre állnak oktatási célra készített kísérleti WPT eszközök.

8. A tantárgy részletes tematikája

Bevezető rész (3 hét)

A vezeték nélküli energiaátvitel (wireless power transfer, WPT) fajtái: szorosan csatolt induktív átvitel, rezonancia alapú "közeltéri" átvitel (induktív, kapacitív), sugárzás útján történő átvitel (mikrohullám, lézer).
A WPT potenciális alkalmazási területei: háztartási és mobil eszközök töltése (telefon, laptop, TV), közlekedési eszközök töltése álló helyzetben vagy akár menet közben (elektromos autók és buszok, "intelligens autópálya" koncepció), orvosi alkalmazások (implantátumok és behelyezett diagnosztikai eszközök töltése), szenzorok energiaellátása ("internet of things" és "intelligens épület" koncepció), katonai alkalmazások.
A környezeti energia hasznosításának (energy harvesting) lehetőségei.
A WPT előnyei (energiatároló-szükséglet csökkentése, mobilitás), és hátrányai (egészségügyi kockázat, veszteség, EMC zavarok).
Az elektromágneses kompatibilitás (EMC) alapjai. Az elektromágneses tér biológiai hatásai, és a vonatkozó előírások.
Néhány megvalósult rendszer, esettanulmányok, konzorciumok és szabványok, pl. KAIST Primove, COTA, Qi, AirFuel (korábban A4WP-Rezence).

Elméleti háttér (5 hét)

Alapvető hullámterjedési ismeretek. Antennák, tekercsmodellek, menetkapacitás.
Az induktív rezonancián alapuló energiaátvitel matematikai modelljei: kétkapu-leírás (szórási és impedanciaparaméterek), a csatolt módusok elmélete, helyettesítő áramköri modellek.
A WPT fő jellemzői: működési frekvencia, átvihető teljesítmény, hatásfok. A hatásfok-optimalizálás kérdése, impedanciaillesztés, impedanciahálózatok.
Tekercsrendszer karakterisztikáinak és helyettesítő paramétereinek hatékony számítása az integrálegyenletek módszerével.
Nyalábformálás antennarendszerrel.

A gyakorlati megvalósítás kérdései (6 hét)

Rádiófrekvenciás mágneses energiaátviteli rendszerek felépítése.
Adó- és vevőtekercsek (Qi és AirFuel).
Adó- és vevőáramkörök.
Adó/vevő kommunikációs rendszerek; az NFC fizikai rétege.
Mérő, és vezérlő áramkörök (mikrovezérlők, árammérők).
Adóoldali tápegységek.
Egyenirányító antenna (rectenna) működése.

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Heti 2 előadás tanteremben, illetve tanszéki laborban.

10. Követelmények a.) A szorgalmi időszakban: részvétel a foglalkozások legalább 70%-án; személyre szabott házi feladat kidolgozása, amely lehet pl. szakirodalom feldolgozása, esettanulmány, számítás vagy mérés elvégzése. A félévközi jegyet a házi feladat osztályzata adja.
b.) A vizsgaidőszakban: nincs

11. Pótlási lehetőségek A házi feladat a pótlási héten beadható.

12. Konzultációs lehetőségek A szorgalmi időszakban a tárgy oktatóinak heti fogadóóráján (a fogadóóra időpontja az érintett tanszékek honlapján megtalálható).

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

Előadói jegyzetek
K. Y. Kim (szerk), Wireless Power Transfer – Principles and Engineering Explorations, InTech, 2012, online változat is elérhető: [http://www.intechopen.com/books/wireless-power-transfer-principles-and-engineering-explorations]
H. A. Haus, Waves and fields in optoelectronics (Chapter 7: Coupling of modes – resonators and couplers), Prentice Hall, 1984.
A. Karalis, J. Joannopoulos, M. Soljacic, "Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer", Annals of Physics, vol. 323, no. 1, 2008, pp. 34–48.
N. Shinohara, Wireless Power Transfer via Radiowaves, Wiley-ISTE, 2013.
Rezence technical publications, online: [http://rezence.com/technology/technical-publications]

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	28
Félévközi készülés órákra	14
Felkészülés zárthelyire
Házi feladat elkészítése	18
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása
Vizsgafelkészülés
Összesen	60

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név:	Beosztás:	Tanszék, Int.:
Dr. Gyimóthy Szabolcs	egyetemi tanár	Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék
Szűcs László	tudományos segédmunkatárs	Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék
Farkas Csaba	adjunktus	Villamos Energetika Tanszék
Dr. Horváth Péter	docens	Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék