R.I.C. BILEN resonant magnetic inductive coupling til trådløs opladning af el-biler under kørsel fra vejen

R.I.C. BILEN resonant magnetic inductive coupling til trådløs opladning af el-biler under kørsel fra vejen

1 ABSTRAKT Benzinbiler forurener luften med partikler, nitrogen og sulfur oxider, samt udsender fossil kuldioxid, som bidrager til drivhuseffekten. Benzin bliver fremstillet af olie, som er udornyelig resource og kun findes I nogle enkelte lande. For at gøre transporten mere miljøvenlig og bæredygtig, er det nødvendigt at finde alternativer til fossil brandstof. El-biler kunne være en udmærket løsning, hvis det ikke havde været for deres begrænset rækkevidde. I mit projekt har jeg undersøgt om resonant magnetic inductive coupling kunne bruges for at overøfe strøm trådløst. Denne teknologi kunne bruges til at oplade el-biler mens de kører fra de specielt byggede veje og på den måde gør op med problemet af begrænset rækkevidde. Det lykkedes mig at overføre strømmen trådløst på korte afstande. Jeg har også udregnet at ca. 4.000 vindmøller vil være nok for at forsyne alle biler I Danmark med energi, hvis alle biler var elektriske. 2 INTRODUKTION 2.1 Transport - en global udfordring Et af nutidens største problemer er oliekrisen. 80 procent af alt olie bliver brugt til fremstilling af transport brændstof til faretøjer, som benzin, diesel og fly-benzin. Der bliver brugt ca. 5.500 millioner liter benzin alene i Danmark1. Der er kun olie nok til ca. 50 år og derudover forurener brandstofmotorer meget. Ved afbrænding af brændstoffet dannes der kuldioxid (CO 2), vand, nitrogen oxider (NOx), sulfur dioxid (SO2) og sundheds skadelige partikler. CO2 ophobes i atmosfæren og danner den så kaldte drivhuseffekt. SO 2 og NOx er begge sundhedsskadelige både for mennesker og dyr. SO 2 og NOx er også begge skyld i at der bliver dannet syreregn der er med til at ødelægge regnskoven. 2.2 Elektriske biler En elektrisk bil er en bil der er drevet af en eller flere elektriske motorer, der bruger elektrisk energi gemt i batterier. De første elbiler blev produceret i 1880'erne. 2 De elektriske biler var populære i slutningen af det 19. århundrede og i starten af det 20'ende. Dog blev benzin bilerne billigere og el-biler gik i glemmebogen. De fik først renæssance for ca. 10 år siden pga. fremskridt med udvikling af batterier, stigende oliepriser, samt øget opmærksomhed på drivhuseffekten og luftforurening fra brandstofbiler. El-biler forurener ikke luften, de larmer ikke og den elektriske motor skaber stærke, hurtige og behagelige accelerationer. Normalt er el-biler meget dyrere end de konventionelle brandstofbiler, men i Danmark er situationen næsten omvendt. Indtil videre er el-biler i Danmark fritaget den høje registreringsafgift på 210%, hvilken betyder at når man køber en el-bil, får man bil for alle pengene i stedet for kun for tredjedelen. Det gør elbilen meget konkurrencedygtig prismæssigt i Danmark. Dog er der nogen store ulemper, som forhindrer udbredelsen af el-biler: 1. Batterierne er store og dyre og har en rækkevidde på kun 150-180 km. 2. Opladningen er meget besværlig. Bilen kan oplades hjemme og ved ladestationer, derfor kan man ikke komme særligt langt medmindre man har et større batteri. Køreren er også utryg og bekymret 1 Bjarke Hansen Så meget benzin og diesel bruger vi om året. TV2. FINANS, 17. august 2012 2 http://en.wikipedia.org/wiki/electric_car

om ikke at kunne nå til den næste ladestation. Derudover tager en ladning flere timer, mens det tager knap fem minutter for at fylde en almindelig benzin tank. 2.3 Wireless elektricitet For over 100 år siden har Nikola Tesla demonstreret hvordan resonant inductive coupling kunne bruges for at tænde lys trådløst3. Denne teknologi blev videreudviklet af forskere på MIT, som i 2006 viste trådløs energioverførsel med høj effektivitet ved brug af evanescent-koblede resonatorer. 4 Det elektromagnetiske felt kan komme igennem forhindringer og er ikke skadeligt for dyr og mennesker. 2.4 Opladning af elbiler via wireless elektricitet Effektivitet af trådløs energioverførsel afhænger af spolerenes konstruktion og afstand mellem spolerne. Effektivitet kan være op til 60-70%. Hvis vi laver en sammenligning med brandstofmotorer, så konverterer de kun 30% af energien i benzinen til bevægelse, mens resten er spildt som varme. På den måde er trådløs energioverførsel dobbelt så effektiv, samt energien kan komme fra vedvarende kilder, som vindmøller og solpaneler. 2.5 Problemformulering For at fremme udbredelsen af el-biler, er der et stærkt behov for at øge bilernes rækkevidde. En mulighed er at oplade bilen mens den kører ved at overføre energi fra en specielt bygget vej. 2.6 Hypotese Min hypotese er at man ved hjælp af at kunne oplade biler mens man køre ville kunne skabe større interesse omkring at have en el-bil og derved ville flere mennesker kunne bruge dem, hvilket i Danmark ville gøre sådan at vi ikke behøver at være afhængige af olie, og i verden ville vi nedsætte en af verdens største kilde til forurening. Grunden til at den ville gøre det er at det bliver nemmere at lade bilen og at elbilen bliver en hel del billigere. I lande der ikke har et ordentligt indlagt vejnet ville man dog stadig bliver nød til at bruge andre metoder. 3 RESULTATER 3.1 Effektivitet af non-resonant og magnetisk resonant inductive coupling I de efterfølgende forsøg vil jeg prøve at vise forskellen mellem non-resonant inductive coupling og magnetisk resonant inductive coupling. Til forsøg brugte jeg to opstillinger. Figur 1 viser en non-resonant coupled inductor, lige som en typisk transformer, hvor primære spole er tilsluttet til vekselstrømsgenerator og danner et magnetisk felt. Det magnetiske felt skaber vekselstrøm i den sekundære spole. Spændingen i den sekundære måles ved en. Jeg har eksperimenteret med jernkerne og afstand mellem spolerne (Tabel 1). Vekselstrømen var på 50 Hz. Spænding på den primære spole var 27 V (U in). Jeg målte spænding på den sekundære spole (U out). Afstanden mellem de to spoler var 5 cm, bortset fra forsøg nr. 3, hvor spolerne var placeret oven på hinanden. Effektivitet var beregnet som 3 http://en.wikipedia.org/wiki/nikola_tesla 4 http://witricity.com/ U out 100 %. U in

Figur 1. Opstilling for non-resonant coupled inductor. M er multimeter. Tabel 1. Målte værdier for output spænding i forskellige opstillinger for non-resonant coupled induction. Nr. Beskrivelse Illustration Output, V Effektivitet, % 1 Forbundet jernkerner 0.058 0.21 % 2. Ikke forbundne jernkerner 0.039 0.14 % 3. Spolerne placeret oven hinanden 0.014 0.05 % 4. Ingen jernkerner 0.003 0.01 %

I kommercielle transformere er effektiviteten på over 90% 5, men den var meget lav med spolerne jeg brugte. Meningen med forsøget her var at undersøge hvor meget spændingen faldt uden jernkernen. Effektiviteten faldt 21 gange uden jernkernen, hvilket gør non-resonant coupling induction uegnet til trådløs elektricitet overførsel. Videre har jeg bygget et magnetic resonant coupled inductor (Figur 2, øverste panel). Først har jeg lavet to spoler af loddelig lakeret blødt kobbertråd på Ø 0.2 mm. Den primær spole havde 35 vendinger, mens den mindre sekundær spole havde 12 vendinger. Størrelsen af spoler kan man se fra linealen på billedet (Figur 2, nedre panel). Den primær spole var tilsluttet en funktionsgenerator på max 2 MHz. Jeg har loddet kondensatorer på 0.02 uf parallelt på både den primære og sekundær kæder. Figur 2. Opstilling for magnetic resonant coupled inductor. O er oscilloskop. Jeg startede med at placere den sekundær spole i midten af den primær. Så begyndte jeg at ændre på frekvensen på funktionsgenerator indtil jeg fandt den optimale frekvens, hvor output spændingen var højest (Figur 3), dvs at der opstod magnetisk resonans. Input spænding var på ca. 1 V. Den optimale frekvens var 239 khz, og output spændingen var ca. 0.25 V. Hvis effektivitet var 100%, vil man forvente at få 5 NY PRISMA 9, Elevbog. Side 83-105. Forfattere : Bo Damgaard, Hans Lütken, Anette Sønderup og Peter Anker Thorsen. Forlag : Alinea 2000

output spænding på: U out = N out U in 12 1V = =0.34 V. Når output spænding var på 0.25 V, betyder N in 35 det at den aktuelle effektivitet var 70%. Figur 3. De målte input og output spændinger til magnetic resonant coupled inductor fra Figur 2. Konklusioner: Vi kan konkludere at energioverførsel ved non-resonant inductive coupling har meget lav effektivitet uden jernkerne og på afstand. Den kræver jernkerne og tæt afstand mellem spolerne. Jeg kunne mærke at den primær spole blev varm under forsøget. Energien bliver tabt som varme pga modstand i spolen. Til gengæld havde magnetic resonans coupled induction høj effektivitet og den krævede ikke forbindelse mellem spolene gennem jernkerner, dvs energitransmission var helt trådløs. Ved at bruge resonans, kan effektiviteten forhøjes drastisk, når spolerene oscilerer med resonant frekvens. Man kan overføre energien mellem spolerne over afstand på flere gange spolerenes diameter. 3.2 Prototype I Mit næste mål var at bevise at man kan godt oplade et lille batteri via trådløs elektricitet, også under bevægelse. Dette batteri kunne drive en elmotor i en legebil. Mit plan til opstilling var at øge strøm i den primær kæde ved at tilføje en el-kilde og en transistor [metal oxide semiconductor field-effect transistor MOSFET] (Figur 4) 6, men heldigvis havde de en funktionsgenerator med indbygget forstærker på DTU, som jeg kunne bruge. Til den sekundær kæde har jeg tilsluttet en amperemeter i serie og en voltmeter parallelt for at kunne måle tilsvarende de overførte strømstyrke og spænding. Min videre plan er at tilføje en brokobling for at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm, så et genopladeligt batteri kunne oplades. 6 https://www.youtube.com/watch?v=r1ut4nuygmq&x-yt-cl=84924572&x-yt-ts=1422411861

Figur 4. Kredsløbsdiagram til trådløs strømoverførsel Figur 5. Opstilling til trådløs strømoverførsel Der var overført noget strøm, dog effektivitet var lille. Fejlkilden kunne være at der ikke var nok modstand i den sekundær kæde eller at antal vendinger og tykkelsen af tråd i spolerne skal optimeres. I de fremtidige forsøg vil jeg tilslutte en lysdiode eller en andet modstand til den sekundær kæde og vil også prøve at optimere mine spoler. Efterfølgende vil jeg prøve at sætte brokobling til og oplade et batteri, og hvis det lykkes, så vil jeg gå videre med at oplade en legetøjsbil, mens den kører på en bane, som har den primære spole nedunder. Dette vil simulere en fremtidig el-vej.

3.3 Optimering af kobling (prototype II) Mit næste mål var at se hvad der kunne være grunden til at systemet ikke virkede. Jeg har fundet ud af at en af grundene er at spolerne ikke har samme resonans frekvens. Derfor har jeg lavet beregninger til nye spoler, som skal oscilere ved det samme frekvens. Ligningen til beregning af resonans frekvens er: F= 1, hvor F er frekvens i Hz, L er induktans i H, og C er kapacitans i F. 2 π L c Jeg havde to konsatorer med kapacitans C=22 nf og jeg vil gerne have frekvensen omkring 0.2-1 MHz. For F=0.35 MHz, skal spolernes induktans være L=10 uh 7. Nu kunne jeg beregne dimension af spolerne for at opnå induktans på 10 uh. Beregningen til spolens dimensioner ser således ud8. Figur 6. Beregning af spolernes dimensioner. Primær spole (venstre), sekundær spole (højre). 7 http://www.1728.org/resfreq.htm 8 http://www.pronine.ca/multind.htm

Jeg har nu lavet nye spoler der efter beregningen skulle have den samme resonans frekvens. Jeg har afprøvet forskellige frekvenser og omkring 220-260 khz tændte dioden, hvilket betød at strømmen blev overført trådløst!!! Den bedste frekvens var 240 khz. Jeg har også afprøvet 3 forskellige bølgeformer: kvadratisk, sinusoid og triangel, hvor den kvadratiske fungere bedst. Figur 7 viser at systemet virker godt nok til at få en lysdiode til at virke, og strømmen bliver overført gennem materialer, som koppen her. Figur 7. Trådløst overført strøm får dioden til at lyse. Jeg tog ud på Nanoteket i DTU, hvor de havde en amperometer, som kunne måle strømstyrke ved høje frekvenser. Der kunne jeg lave målinger af effektivitet af strømoverførsel i prototype II. Jeg målte effektivitet på 20% ved 240 khz (Tabel 2). Som forventet, er effektivitet meget lille ved andre frekvenser, som ikke passer med den resonerende frekvens. Tabel 2. Effektivitet af strømoverførsel ved forskellige frekvenser. Frekvens Input Input Output Output Effektivitet, Strøm (A) Spænding (V) Strøm (ma) Spænding (V) % 400 khz 0,174 A 0,046 0 0,14 0% 240 khz 0,082 A 2,358 5,069 7,6 20% 100 khz 0,172 A 1,772 0,041 0,4 0,005% 3.4 Optimering af brokobling (prototype III) Så har jeg prøvet at tilslutte en motor i stedet for lysdioden men det virkede ikke. Jeg forstod det ikke fordi at den havde spænding nok. Så prøvede jeg at tilslutte motoren gennem brokoblingen til funktionsgeneratoren, men den kørte stadig ikke. Jeg prøvede at sætte frekvensen ned og så kørte den. Jeg kunne ikke forstå hvorfor motoren ikke virkede ved høje frekvenser. For at diagnosere problemet har jeg

målt spændingen efter brokobling med oscilloskop. Overaskende viste det sig at brokoblingen ikke udjævner strømmen ordenligt ved frekvenser på over 50 khz (Figur 8). Figur 8. Udjævnet spænding målt med oscilloskop. X aksel tid, et tern svarer til 0.2 ms. Y aksel spænding, et tern svarer til 0.5 V. 0 (kontrol) 24 khz 50 khz 240 khz Min konklusion er at jeg har brug for en anden brokobling som kan arbejde ved høje frekvenser eller lign.

3.5 Evaluering af muligheder for forsyning af Danmarks transport af vindmøller energi Jeg ville gerne regne på om alle biler i Danmark kunne køre på vindenergi (såfremt at alle biler var elektriske). Derfor har jeg lavet følgende begninger (Tabel 2) der beskriver hvordan dette kan blive muligt. Tabel 2. Beregninger Benzin forbrug i Danmark i 2011 [1] 5.519.000.000 L Beregning af energiforbrug per km for forskellige modeller el-biler: Tesla, model S [2] Batterikapacitet 85 kwt Rækkevidde 502 km Forbrug, batterikapacitet/rækkevidde 0,17 kwt/km Renault Fluenze Z.E. [3] Batterikapacitet 22 kwt Rækkevidde 185 km Forbrug, batterikapacitet/rækkevidde 0,12 kwt/km E-Golf [4] Forbrug 0,13 kwt/km Nissan LEAF [4] Forbrug 0,15 kwt/km Gennemsnitlig forbrug 0,14 kwt/km Beregning af antal af vindmøller for at forsyne alle danske biler med el: En almindelig personbil kan køre ca. 15 km per liter benzin, dvs benzinforbrug er 0.067 L per km. Dermed kan vi antage at forholdet mellem forbrug af el-energi og benzin er: 2,1 kwt/l Nu kan vi regne ud, hvor meget energi vi har brug for at at kunne erstatte det årlige benzinforbrug: 11.640.181.140 kwt Ved at indregne effektivitet på trådløs energioverførsel på 60%, vil energibehov være: 19.400.301.899 kwt En moderne vindmølle kan producere om året ca. [5] 5.000.000 kwt Antal vindmøller for at alle biler i Danmark kan køre på vindenergi: Referencer til beregninger [1] http://finans.tv2.dk/nyheder/article.php/id-53100149%3as [2] http://www.teslamotors.com/da_dk/goelectric#range [3] http://en.wikipedia.org/wiki/renault_fluence_z.e. [4] http://www.greencarcongress.com/2014/02/20140215-egolf.html [5] http://www.bestenergy.dk/om-vindmoeller/vindmoellens-abc#vindenergi1 Med de antagelser som jeg har foretaget, kom jeg frem til at der skulle ca. 3.880 vindmøller til for at forsyne alle danske biler med vindenergi, hvis alle benzinbiler blev udskiftet med el-biler. 3.880

4 PERSPEKTIVER Hvis el-bilerne bliver implementeret, ville det betyde en enorm forhøjelse af strømforbruget, og det ville så helst skulle komme fra vedvarende energikilder. Hvis alt strøm kom fra forbrændingen, ville det ikke rigtigt hjælpe så meget mod forureningen. Med hensyn til miljøet vil dette hjælpe meget på at nedsætte drivhuseffekten og udledningen af NO x og SO2, der blandt andet skaber syreregn. Dette gælder naturligvis kun så længe at energien bliver produceret af vedvarende energikilder. For den almindelige person vil dette betyde at el-bilerne bliver mere brugbare med en meget høj rækkevide og lavere priser pga mindre batterier. Dermed kan alle i Danmark have råd til alle de komfortable ting ved en el-bil og være med til at hjælpe miljøet. Der var ved udgangen af juni måned 2010 i alt 5.042 vindmøller i Danmark med en samlet kapacitet på 3.611 MW. Den samlede produktion fra de danske vindmøller udgjorde i 2009 i alt 6,7 Mia, hvilket udgjorde 19 % af al strøm, der blev brugt i Danmark. Heraf kan vi afregne at de 3.880 vindmøller ikke er et umuligt mål, da vi allerede har mere end 5.000 vindmøller i Danmark. TAK Mange tak til Søren Hjort, min matematik og naturteknologilærer, for altid at give mig spændene og udfordrende opgaver. Særlig tak til Ole Trinhammer, Leder af Nanoteket på Danmarks Tekniske Universitet, for lån af udstyr og for gode råd og hjælp med forsøg.