Pint of Science

1. Cómo encender una bombilla sin
cables
Sistemas de Transmisión de Energía Inalámbricos

2. El mundo se mueve con electricidad….
 Desde finales del S. XIX, el ser humano ha incrementado su
dependencia a los sistemas energéticos:
Consumimos más energía per cápita
Hay cada vez más aplicaciones que requieren energía
eléctrica para su funcionamiento
 Se está realizando un esfuerzo intenso por generar energía
eléctrica de manera ecológica y eficiente
 Pero hay otros retos, como la búsqueda de nuevas
funcionalidades, aplicaciones o incremento en el grado de
comfort

3. El mundo se mueve con electricidad….

4. ¿Cómo conectamos una bombilla?
De No machine-readable author provided. PACO~commonswiki assumed (based on copyright
claims). - No machine-readable source provided. Own work assumed (based on copyright claims).,
CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=665993
De Vincent van Zeijst - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39521852
Imprescindible el empleo de múltiples tipos de
cables conductores

5. Hablemos un poco de ondas electromagnéticas…

6. Las usamos de manera cotidiana para múltiples
aplicaciones

7. Ondas Electromagnéticas
• Se trata de una señal que varía en
el tiempo y en el espacio.
• Su variación es periódica, siguiendo
una función de tipo senoidal
• Puede variar su amplitud (ser más
grande o más pequeña)
• La cantidad de veces que varía en el
tiempo se llama frecuencia y se
mide en hercios.

8. Las usamos de manera cotidiana para múltiples
aplicaciones
• Medio físico: ondas radioeléctricas
• Las ondas EM interaccionan con el medio que las
rodean:
• Efecto de la distancia
• Efecto del medio en el que se propaga
• Efecto de: reflexión, refracción y difracción
• Es un canal fácil de implantar, pero….
• Es voluble y hostil

9. Ejemplo: Onda Guiada
Cable Coaxial (empleado
para transmisión de señal
de TV)

10. Ejemplo: Ondas Radiadas
Antena Uda-Yagi
(recepción de TDT)

11. Transformador
• Permite la transferencia de energía eléctrica mediante inducción
electromagnética.
• Se produce una fuerza electromotriz en un conductor al estar
expuesto a un campo magnético variable en el tiempo
• Fenómeno descubierto por Michael Faraday en 1831 y Joseph Henry
en 1832

12. Transformador
• Inducción EM:
dt
d
NV ss


dt
d
NV pp


a
N
N
V
V
s
p
s
p

ppss IVIVPot 
a
L
L
N
N
I
I
V
V
s
p
s
p
p
s
s
p

LL ZaZ 2´

i)
ii)
iii)
iv)

13. Transmisión Inalámbrica de Energía
• Alternativa al empleo de medios guiados para la transferencia de
energía
• Existen diversas alternativas, en función de la longitud de onda,
como del mecanismo de acoplo entre transmisor y receptor
CET
Inductivo
CET
Inductivo
Resonante
CET
Capacitivo
CET
Microondas
CET
Ópticos
CET
Magneto
dinámico
CET
Acústico

14. Transmisión Inalámbrica de Energía
CET
Microondas
Public Domain,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1099844
CET
Ópticos
By Tom Tschida -
http://www.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/Power-
Beaming/HTML/ED03-0249-18.html, Public Domain,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63274
5
CET
Magneto
dinámico
http://www.greencarcongress.com/2012/11/ubcmdc-20121124.html

15. Transmisión Inalámbrica de Energía
• Concepto ya planteado hace más de 100 años…..
• Nikola Tesla, 1890s. Múltiples estudios posteriores
Colorado Springs, 1899 Estación de Wardenclyffe
N. Tesla, N. York, 1891

16. Transmisión Inalámbrica de Energía Inductiva
• Basado en el acoplo de campo magnético entre dos elementos no
conectados mediante un medio guiado conductor
• Se clasifican en dos tipos:
• CET Inductivo: Se emplean dos elementos (espiras, bobinas),
acoplados magnéticamente formando un transformador. La
corriente inducida se puede proporcionar directamente a la
carga o mediante un elemento rectificador
• CET Inductivo Resonante: Similar al inductivo, pero
incluyendo un circuito resonante (tanque LC que puede
conformarse con elementos circuitales externos así como con
el propio circuito equivalente de las espiras/bobinas)

17. • Bloque TX:
• Fuente/Electrónica de Control
• Elemento TX
• Bloque RX:
• Electrónica de Conexión a la
Carga
• CET Resonante:
• Tanques Resonantes (LC), con el
fin de aumentar eficiencia
Transmisión Inalámbrica de Energía Inductiva

18. Transmisión Inalámbrica de Energía Inductiva

19. Se basa en el uso de un campo
magnético generado por una
corriente eléctrica para inducir
una corriente en un segundo
conductor. Funciona de manera
similar a un transformador con
una separación de aire entre el
primario y secundario.
CET Capacitivo-Características

20. CET Capacitivo-Características

21. CET Inductivo-Aplicaciones

22. CET Inductivo-Características
• El funcionamiento depende de:
• Diseño de las espiras/bobinas
• Distancia de Separación
• Electrónica de control

23. CET Inductivo-Características
Jiejian Dai et al., “A Survey of Wireless Power Transfer and a Critical
Comparison of Inductive and Capacitive Coupling for Small Gap Applications”,
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 30, NO. 11,
NOVEMBER 2015

24. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Sistema de Alimentación para OLEVs
Seungyoung Ahn and Joungho Kim, “Magnetic Field Design for High Efficient and Low EMF
Wireless Power Transfer in On-Line Electric Vehicle”, EuCAP 2011

25. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Sistema de Alimentación para OLEVs
J. Huh et al., “Narrow-Width Inductive Power Transfer System for Online Electrical Vehicles”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER
ELECTRONICS, VOL. 26, NO. 12, DECEMBER 2011

26. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Sistema de Alimentación para OLEVs
J. Huh et al., “Narrow-Width Inductive Power Transfer System for Online Electrical Vehicles”, IEEE TRANSACTIONS
ON POWER ELECTRONICS, VOL. 26, NO. 12, DECEMBER 2011

27. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Pad de Carga para Vehículo Eléctrico
Mickel Budhia et al., “Design and Optimization of Circular Magnetic Structures for Lumped Inductive Power
Transfer Systems”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 26, NO. 11, NOVEMBER 2011

28. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Optimización para sistemas biomédicos
Meysam Zargham et al., “Maximum Achievable Efficiency in Near-Field Coupled Power-Transfer Systems”, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND
SYSTEMS, VOL. 6, NO. 3, JUNE 2012

29. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Sistemas Biomédicos
Sangwook Han, and David D. Wentzloff, “Wireless Power Transfer Using Resonant Inductive Coupling for 3D
Integrated Ics”, IEEE 3D Systems Integration Conference (3DIC), November 2010

30. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Sistema de Transmisión de Elevada Eficiencia
Seung-Hwan Lee et al., “Development and Validation of Model for 95%-Efficiency 220-W Wireless Power Transfer Over a 30-cm Air Gap”, IEEE
TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 47, NO. 6, NOVEMBER/DECEMBER 2011

31. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Alta Potencia-Sector Ferroviario
Jae Hee Kim et al., “Development of 1-MW Inductive Power Transfer System for a High-Speed Train”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,
VOL. 62, NO. 10, OCTOBER 2015

32. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Sector Naval
Zhiyuan Cheng et al., “Design and Loss Analysis of Loosely Coupled Transformer for an Underwater High-Power Inductive Power Transfer System”, IEEE
TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 51, NO. 7, JULY 2015

33. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Robots Móviles
Changbyung Park et al., “Two-Dimensional Inductive Power Transfer System for Mobile Robots Using Evenly Displaced Multiple Pickups”,
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 50, NO. 1, JANUARY/FEBRUARY 2014

34. CET Inductivo-Ejemplos de Desarrollo
• Elementos Móviles en Cadenas de Montaje
John T. Boys and Grant A. Covic. “The Inductive Power Transfer Story at the University of Auckland”, IEEE
circuits and systems magazine. Second Quarter 2015

35. Ejemplos

36. Ejemplos

37. ¿Hacia donde vamos?
 Sistemas CET Inductivos/Capacitivos más
eficientes
 Nuevos sistemas de carga
distribuidos/integrados en mobiliario
urbano/hogares vehículos
 Desarrollo de nuevos sistemas de
transmisión de energía en otras
longitudes de onda

38. Gracias!!