WO2021185978A1 - System und verfahren zur drahtlosen übertragung von energie - Google Patents

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WO2021185978A1
WO2021185978A1 PCT/EP2021/056979 EP2021056979W WO2021185978A1 WO 2021185978 A1 WO2021185978 A1 WO 2021185978A1 EP 2021056979 W EP2021056979 W EP 2021056979W WO 2021185978 A1 WO2021185978 A1 WO 2021185978A1
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energy
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transmission unit
unit
reflectors
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PCT/EP2021/056979
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Frank Schmidt
Kazuyoshi Itagaki
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Enocean Gmbh
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/02—Function characteristic reflective

Definitions

  • the invention relates to an energy transmission unit and an energy receiving unit as well as a method for the transmission of energy.
  • LASER sources are used here, which have very small cross-sections of the energy beam. This causes a high required positioning accuracy of the energy source in the case of moving consumers, which is correspondingly difficult to achieve. So here, too, permanent, active feedback is required in order to Tracking positions This process, too, requires energy that has to be applied by the transmitted energy and is therefore not available for the actual purpose of supplying a device.
  • the energy transfer unit has a radiation source which is set up to generate an energy beam for transferring energy from the energy transfer unit to an energy receiving unit.
  • the radiation source is set up to emit phase-coherent light (laser) in the non-visible or visible range.
  • the energy transfer unit has a unit for beam shaping which is set up to convert or shape the energy beam of the radiation source, in particular by means of optical elements, into a shaped energy beam.
  • the energy transfer unit has a mechanical actuator which is set up to control the direction of the energy beam or the shaped energy beam.
  • the energy transfer unit has multiple radiation sources and non-mechanical control means which are set up to control the direction of the energy beam or the shaped energy beam by superposing the multiple radiation sources.
  • the energy transfer unit has non-mechanical control means which are set up to control the direction of the energy beam or the shaped energy beam by controlling or influencing a refractive index in optical media.
  • the energy transmission unit it has a receiver which is set up to receive and evaluate energy beam components reflected from the environment of the energy transmission unit.
  • the receiver is designed as a demodulator or has a demodulator which is set up to receive and demodulate energy beam components reflected and modulated from the environment of the energy transmission unit.
  • the energy transmission unit has a camera which is set up to record or record images or image information from the surroundings of the energy transmission unit.
  • the energy transmission unit has implemented algorithms of a pattern recognition for evaluating images or image information that were recorded or recorded by means of a camera.
  • the algorithms of the pattern recognition are stored in the form of one or more executable programs or software within the energy transmission unit.
  • the energy transfer unit is set up to carry out the following measures:
  • the energy receiving unit has an energy converter, which is set up to receive energy from an energy beam of an energy transmission unit and in to convert electrical energy.
  • the energy transfer unit corresponds, for example, to an energy transfer unit of the type explained above.
  • the energy receiving unit has one or more reflectors which are arranged near or in the vicinity of the energy converter and are set up to at least partially reflect the energy beam of the energy transmission unit.
  • a plurality of reflectors is set up which are arranged surrounding the energy converter, in particular in a circular manner.
  • the reflector (s) are set up in such a way that their degree of reflection can be electrically controlled or modulated.
  • the reflector or reflectors are set up as controllable LCD elements for controlling or modulating their degree of reflection.
  • the energy receiving unit has an element which is set up to carry out the control or modulation of the degree of reflection of the reflectors.
  • the energy receiving unit has one or more optical markers which, by their mechanical shape, color (s), printing with patterns and / or digital codes, reflectors (static or modulatable) and / or through the use of light sources (invisible or visible spectrum) are designed to identify a location, orientation and / or position of the energy receiving unit in space.
  • optical markers which, by their mechanical shape, color (s), printing with patterns and / or digital codes, reflectors (static or modulatable) and / or through the use of light sources (invisible or visible spectrum) are designed to identify a location, orientation and / or position of the energy receiving unit in space.
  • the above object is also achieved by a system according to claim 15.
  • the system comprises an energy transfer unit of the type explained above and an energy receiving unit of the type explained above.
  • the energy transfer unit and the energy receiving unit are spatially aligned or alignable with one another in such a way that energy can be transferred from the energy transfer unit to the energy receiving unit by means of an energy beam generated by the energy transfer unit.
  • the energy can be received by the energy receiving unit and converted into electrical energy.
  • the procedure consists of the following steps:
  • checking of the defined or required criteria is continued as long as a sufficient number of criteria are not met.
  • checking of the defined or required criteria is continued periodically in a predetermined time interval.
  • the time interval or a time criterion is specified in such a way that a) the positions of the objects, people or animals in the room have not yet changed significantly, and / or b) due to the short time there is no dangerous exposure, in particular of the eyes, in the Energy beam can take place.
  • the radiation source after the radiation source has been activated, it is deactivated or its power is reduced if a check of the defined or required criteria reveals that a sufficient number of criteria are no longer met.
  • the energy beam is converted or shaped into a shaped energy beam by means of a unit for beam shaping.
  • a direction of the energy beam or the shaped energy beam controlled by means of a mechanical actuator and / or by means of non-mechanical control means.
  • energy of the energy beam is reflected by reflectors of the energy receiving unit. These reflections are received and evaluated by a receiver of the energy transmission unit.
  • the reflectors of the energy receiving unit modulate the reflections.
  • the receiver works as a demodulator and receives and demodulates the modulated reflections.
  • a direction of the energy beam or the shaped energy beam is continuously readjusted based on the evaluated reflections.
  • the invention solves the problem of wirelessly supplying electronic devices with energy, with electromagnetic radiation in particular being used to transmit the energy.
  • the applications to be operated with it include, for example, mobile or movable devices such as portable input devices, controllers, cell phones and mobile computers, as well as hearing aids, clothing with electronic functions, as well as devices such as check cards, electronic labels and radio sensors that measure parameters from the environment and transmitted by radio.
  • Applications are also permanently installed devices with moving or immovable parts, such as electronically controlled door locks, sensors and actuators in building automation, in rail and road vehicles, in production or in medical technology or on structural facilities such as buildings, tunnels, Dams, bridges.
  • the invention relates to the transmission of energy at significantly higher frequencies, specifically in the optical wavelength range from about 100 nm to 10 pm, which includes the visible spectrum as well as areas below and above.
  • a method for transmitting energy by means of directed electromagnetic radiation essentially comprising / consisting of a radiation source and a radiation receiver which converts the emitted electromagnetic radiation into electrical energy
  • Energy supply also from several or many receivers with one source.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy transmitter
  • FIG. 2 is a block diagram of an energy receiver
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for energy transmission
  • FIG. 4 shows a schematic spatial arrangement using the example of one
  • FIGS. 1 and 2 illustrate essential components in a system for the wireless transmission of energy.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an energy transmitter (energy transmitter) 1.
  • FIG. 1 shows a transmitter side of the energy transmission.
  • An energy source 1.1 supplies the electrical operating energy for all components.
  • the energy source 1.1 is formed, for example, by the local power grid.
  • batteries, power generators or ambient energy, such as solar energy or wind energy are used as an energy source 1.1 as an alternative or in addition.
  • a further essential element is a radiation source 1.4, which preferably emits phase-coherent light (laser) in the non-visible or visible range.
  • Semiconductor lasers or other, non-coherent semiconductor light sources are preferably used.
  • a unit for beam shaping 1.5 is connected to the radiation source / laser device 1.4.
  • This has the task / function, for example, of reducing the energy density to a level that is harmless to the human eye by applying the energy beam 1.4.1 of the radiation source 1.4 by means of optical elements 1.5.1, such as fixed lenses, deformable lenses or mirrors or a combination of these components is formed into a shaped beam 1.5.2, so that the energy which can hit the surface of the human pupil, for example, is harmless to it at least for short periods of time.
  • a shaping of the energy beam 1.4.1 into the shaped beam 1.5.2 by means of the beam shaping 1.5 here includes, for example, a beam widening, broadening or scattering.
  • the shaping of the energy beam 1.4.1 into the shaped beam 1.5.2 by means of the beam shaping 1.5 includes, for example, a beam narrowing, concentration or bundling.
  • the energy beam is shaped in such a way that it has the best possible overlap when it strikes an energy converter 2.1 of the receiver 2 (see FIG. 2). This can be used not only when using coherent radiation, but also when using non-coherent radiation and is an essential element of the solution presented.
  • Part of an (optionally) implemented safety device is a protection going dismantling of the laser device 1.4 or destruction / dismantling of the beam shaping 1.5 or 1.5.1. This is achieved, for example, by sensors or by an interrupting power supply line that deactivates the laser 1.4 when dismantled and thus prevents the leakage of impermissible power levels 1.4.1.
  • part of the laser device 1.4 is also a receiver / demodulator 1.4.2 for radiation of the same wavelength, which can receive and demodulate the components reflected from the environment.
  • Another element is a mechanical actuator or motor 1.6, which can control the direction of the energy beam 1.4.1 or 1.5.2.
  • electric motors or piezomotors can be used, which act on the radiation source 1.4 or the optical elements 1.5 or 1.5.1 or both.
  • non-mechanical controls of the energy beam can be used, which work with the control of the direction by superposition of several radiation sources or with the control of the refractive index in optical media.
  • Another element of this embodiment is a camera 1.7 which records images of the surroundings.
  • the surroundings can optionally be illuminated with an infrared light source 1.9 if the ambient light is insufficient.
  • Another optional element is a radio transceiver 1.8, which can send and receive information.
  • algorithms of the pattern recognition 1.3 are also used in order to evaluate the images that the camera 1.7 records of the environment, possibly using the infrared light source 1.9.
  • the algorithms of the pattern recognition 1.3 are stored, for example, in the form of executable programs or software.
  • microcontroller 1.2 Another essential element is a microcontroller 1.2, which here, for example, performs all the tasks of regulating and controlling the individual components or executing programs or software, and in particular data streams from the camera 1.7, the radio transceiver 1.8 and the backscattered signals from the laser from the demodulator 1.4.2 can handle.
  • the microcontroller is also set up, for example, to execute the pattern recognition algorithms 1.3.
  • the algorithms of the pattern recognition 1.3 are designed, for example, so that a) human persons and pets can be distinguished from the environment and / or b) in particular the position of the eyes can be identified and / or c) markers that are on the receiving device (see figure 2) can be recognized.
  • Figure 2 shows essential elements of the energy receiver (energy receiver) 2.
  • So 2.1 is an energy converter, which converts the received radiation (the received energy beam 1.4.1 or 1.5.2) into electrical energy.
  • photovoltaic cells that are optimized for the wavelength of the radiation can be used, e.g. GaAS solar cells that have been optimized for wavelengths of 850 nm.
  • reflectors 2.3 are optionally arranged, the degree of reflection of which can be electrically controlled or modulated. This is possible, for example, in a particularly energy-saving way using LCD elements.
  • the energy converter 2.1 is circular, with a plurality of reflectors 2.3 being arranged in a circle surrounding the energy converter 2.1. In other implementations, alternative arrangements of the reflectors 2.3 are provided.
  • optical markers 2.2 are located on the device 2 and which can be easily identified by the remote camera 1.7 of the energy transmitter 1 (see FIG. 1 and the explanations above). These markers 2.2 can be designed through their mechanical shape, colors, printing with patterns and / or digital codes, reflectors (static or modulatable) and / or through the use of light sources (invisible or visible spectrum).
  • An electronic circuit 2.4 which takes over the charge management of an energy store 2.5, is assigned to the energy converter 2.1.
  • this energy store 2.5 forms the essential energy source for the device which is equipped with the radiation receiver / energy receiver 2 and is to be operated, which device has additional functions via the collection of energy.
  • element 2.7 is a dedicated electronic circuit 2.7, which has the advantage of particularly low power consumption and also works with an empty energy store 2.5 and possibly without the use of a microcontroller / controller 2.6 as soon as energy arrives at the solar cell / energy converter 2.1. In alternative implementations, this function of element 2.7 is taken over by microcontroller 2.6. Element 2.7 can be omitted here.
  • the energy receiver 2 has a radio transceiver 2.8, which can exchange data with the transceiver 1.8 of the energy transmitter 1 (see FIG. 1 and the above explanations).
  • FIG. 3 shows a method for energy transmission in a flow chart. The essential steps shown are typically run through, e.g. when operating a system made up of an energy transmitter 1 (see FIG. 1) and an energy receiver 2 (see FIG. 2) of the type explained above.
  • the camera 1.7 When the energy transmitter 1 is switched on, the camera 1.7 is first activated. This provides images of the surroundings, which are analyzed with the aid of the image processing algorithms 1.3. In particular, the following information is obtained:
  • a set of criteria that must be met before the laser 1.4 can be activated is then checked. This includes at least the presence of the markers 2.2 and a sufficient safety distance between the position of the energy converter / solar cell 2.1 of the energy receiver 2 and the eyes of humans and animals.
  • Modified algorithms 1.3 can also be used, which allow objects that have once been identified to be tracked as they move in space.
  • the examination of the criteria is continued periodically, regardless of the result, with a time criterion guaranteeing that a) the positions of the objects in the room cannot yet have changed significantly, and / or b) due to the shortness of the time, no dangerous exposure, in particular of the Eyes can take place.
  • the laser 1.4 is aimed at the position determined by the marker 2.2 and activated.
  • the modulatable reflectors 2.3 which surround the energy converter 2.1 of the energy receiver 2, reflect the energy beam 1.4.1 or 1.5.2 as soon as they are hit by it. These reflections are received and evaluated by the receiver of the reflected components, for example in particular component 1.4.2, which is structurally arranged in the vicinity of the transmitter (laser 1.4) and the camera 1.7. This means that the precise overlap of the energy beam 1.4.1 or 1.5.2 with the energy converter 2.1 getting closed. This information is used for the continuous readjustment of the direction of the energy beam 1.4.1 or 1.5.2 by the beam control of the transmitter (laser 1.4). The beam control takes place, for example, via component 1.6 and / or component 1.5.
  • the closer environment of the calculated position of the energy converter 2.1 can be scanned with the energy beam 1.4.1 or 1.5.2, until corresponding modulations show up and indicate the exact position.
  • FIG. 4 illustrates an application example of the components, systems and methods explained above using a game controller.
  • FIG. 4 illustrates the general spatial arrangement of the components using the energy transfer application example for a game controller 3.4, which controls a game console 3.5, the images of which are displayed on a screen 3.3.
  • essential parts of the energy transmitter / the energy transmission device 1 are accommodated here, for example, in the vicinity of the screen 3.3, but can generally also be integrated into other devices, such as the game console 3.5 or the screen 3.3.
  • the energy transmission device 1 has the functional blocks described in more detail in FIG. 1 and explained above, here visible in FIG. 4 the camera (see 1.7 in FIG. 1) and radiation source (see 1.4 / 1.5 in FIG ) Emits and aligns energy beam 1.4.1 or 1.5.1.
  • the position of people 3.1, pets 3.2 and, in particular, their eyes is recognized and taken into account.
  • the position of the eyes is important because, in principle, an energy beam 1.4.1 or 1.5.1, a harmless power density, can be bundled with optical aids such as lenses, mirrors, telescopes, etc. over a large area.
  • Even with covered eyes if, for example, a person were looking into the radiation source with binoculars, their position in relation to the body is recognizable or known with the above measures and features, and energy transmission device 1 can prevent energy from being emitted.
  • the game controller 3.5 is the energy-receiving device 2 in this example. It has markers 2.2 attached to the outside which, due to their particularly high contrast, can be recognized easily and with high accuracy by the image recognition algorithms 1.3 of the energy transmitter 1. This allows a quick and precise localization of the game controller 3.5 in the plane / in the room. Furthermore, it is possible, for example, by evaluating the transit time of short light pulses or by using differently / variably modulated light, to determine the distance between the markers 2.2 and the camera 1 (see 1.7 in FIG. 1).
  • the energy transfer are started, the energy beam 1.4.1 or 1.5.2 hitting the photovoltaic cell / energy converter 2.1 and the exact alignment of the energy beam
  • I.4.1 or 1.5.2 can be readjusted by evaluating the portions of the energy beam 1.4.1 or 1.5.2 modulated by the reflectors 2.3 (see FIG. 2 and the explanations above). Compared with the evaluation of the position by the camera 1 (see 1.7 in FIG. 1), this evaluation is significantly faster and also allows rapid movements of the controller 3.4 to be followed without the energy supply being interrupted.
  • Radio sensors and radio actuators that transmit their data or action commands by radio are already widely used today.
  • the energy supply is a critical point, especially when battery changes are expensive (difficult access) or no ambient energy is available (especially insufficient light).
  • Radio sensors on moving or rotating machine parts which measure e.g. forces, torque, distance, temperatures;
  • Radio sensors that monitor and report the level of goods in production logistics or warehousing, e.g. by tracking carriers for goods on assembly lines or in high-bay warehouses;
  • Radio sensors which are mounted on vehicles such as cars or rail vehicles, and which are supplied with energy by stationary mounted energy transmitters, and then make data on the identity and condition of the transport vehicles readable as they drive past;
  • Wireless sensors / wireless actuators that process access information and / or lock / unlock access systems. This means, for example, radio sensors in doors that report the status of the door (open, closed, locked), but can also be instructed by radio to lock or unlock a door using electromechanical actuators.
  • Cell phones, mobile computers and similar devices can be charged with the components, systems and methods described above, without cables having to be plugged in and / or without the need for precise positioning on charging mats or charging docks, for example.
  • the energy transmitter 1 can be attached to the ceiling in a central location, for example.
  • Wearables such as fitness trackers, medical devices, smartwatches, hearing aids, electronic glasses with video function, virtual reality glasses or electronics that are connected to clothing can be supplied with energy using the components, systems and methods described above. This is particularly useful if an infrastructure is installed on energy transmitters 1 at the locations where this use is necessary or particularly likely.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieübertragungseinheit (1), aufweisend eine Strahlungsquelle (1.4), die eingerichtet ist einen Energiestrahl (1.4.1) zu erzeugen zum Übertragen von Energie von der Energieübertragungseinheit (1) an eine Energieempfangseinheit (2). Ferner betrifft die Erfindung eine solche Energieempfangseinheit (2), aufweisend einen Energiewandler (2.1), der eingerichtet ist Energie eines Energiestrahls (1.4.1) einer Energieübertragungseinheit (1) zu empfangen und in elektrische Energie zu wandeln. Verfahrensgemäß erfolgt bei einem solchen System einer Energieübertragungseinheit (1) und einer Energieempfangseinheit (2), die räumlich zueinander ausgerichtet sind, ein Erfassen von Informationen über Marker (2.2) bzw. Reflektoren (2.3) der Energieempfangseinheit (2), das Vorhandensein von Gegenständen, Menschen (3.1) oder Tieren (3.2), oder die Position der Augen von Menschen oder Tieren. Definierte Kriterien werden anhand der erfassten Informationen geprüft, sowie eine Strahlungsquelle (1.4) der Energieübertragungseinheit (1) auf eine detektierte Position der Energieempfangseinheit (2) ausgerichtet und aktiviert, sodass ein Energiestrahl (1.4.1) von der Strahlungsquelle (1.4) erzeugt wird und Energie des von der Strahlungsquelle (1.4) erzeugten Energiestrahls (1.4.1) durch die Energieempfangseinheit (2) empfangen werden kann.

Description

Beschreibung
System und Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Energie
Die Erfindung betrifft eine Energieübertragungseinheit und eine Energieempfangseinheit sowie ein Verfahren zur Übertragung von Energie.
Die drahtlose Übertragung von Energie wird heute zumeist durch Magnetfelder (Frequenzen von etwa 100 KHz bis in den 2-stelligen MHz-Bereich) oder durch Funkwellen (Frequenzen ab 100 MHz bis einige GHz) realisiert. Diese Technik ist weitgehend ausgereift und es gib viele kommerziell erhältliche Lösungen.
Daneben werden bereits einige Einrichtungen und Verfahren beschrieben, welche mittels optischer Strahlung im sichtbaren oder nahe des sichtbaren Bereiches Energie übertragen, wobei insbesondere kohärente Strahlung durch LASER - Quellen vorgeschlagen wird, die aufgrund der geringen Strahl divergenz hohe Entfernungen überbrücken kann.
Die bisherigen Lösungen haben jedoch etliche Nachteile. Zum einen umfassen sie gefährliche Level von Energie bzw. eine hohe Energiedichte pro Fläche. Das Übertragen von Energie mittels elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren oder nicht sichtbaren Spektrum erfordert aus Sicherheitsgründen für Menschen, Tiere und insbesondere zum Schutz der Augen, dass gesetzlich festgelegte Grenzwerte der maximalen Energiedichte pro Fläche nicht überschritte werden. Vorgeschlagene Lösungen arbeiten jedoch oft mit hohen Energien pro Flächeneinheit, insbesondere wenn phasenkohärente Strahlungsquellen (LASER) zum Einsatz kommen. Dies ist z.B. aus der Publikation “ Concepts for wireless energy transmission via laser, Leopold Summerer, Oisin Purcell, ESA - Advanced Concepts Team Keplerlaan 1, NL- 2201AZ Noordwijk, The Netherlands, Leopold.Summerer@esa.int, +31-71-565- 6227) ” bekannt. In dieser wissenschaftlichen Veröffentlichung werden die Grundlagen des Energietransports mittels Laser zwischen der Erde und dem erdnahen Orbit diskutiert.
Um Menschen und Tiere vor hohen Energiedichten zu schützen, wurden bisher verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Diese Verfahren arbeiten zumeist mit verschiedenen Laserintensitäten, wobei zunächst mit kleinen Intensitäten gearbeitet wird, bis die Energieübertragung etabliert ist, und dann mittels Feedback vom Verbraucher permanent getestet wird, ob der Energiestrahl unterbrochen wurde. Dieses Kriterium wird dann zur schnellen Reduzierung der Leistung genutzt.
Es ist in diesen Fällen ein permanentes und aktives Feedback des Empfängers erforderlich, welches zum Beispiel auf einem Rück-Kanal mittels Funkübertragung erfolgt. Dies erfordert ebenfalls einen Energieaufwand, welcher von der zu übertragenden Energie aufgewendet werden muss.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Lösungen besteht in sehr kleinen Flächen, die eine hohe Positioniergenauigkeit erforderlich machen. Typischerweise wird hier mit LASER-Quellen gearbeitet, die sehr kleine Querschnitte des Energiestrahls aufweisen. Dies verursacht eine hohe erforderliche Positioniergenauigkeit der Energiequelle bei bewegten Verbrauchern, die entsprechend schwierig zu erreichen ist. Es ist also auch hier ein permanentes, aktives Feedback erforderlich, um Positionen zu verfolgen Auch dieser Vorgang erfordert Energie, die von der übertragenen Energie aufgebracht werden muss und damit dem eigentlichen Zweck der Versorgung eines Gerätes nicht zur Verfügung steht.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Lösungen besteht darin, dass ein Empfänger beim Start des Verfahrens immer eine Mindestenergie zur Verfügung haben muss, um der Vorgang der Energieübertragung überhaupt starten zu können. Bei leerem Energiespeicher eines Verbrauchers kann die Energieübertragung nicht gestartet werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit sowie ein Verfahren zur Übertragung von Energie zu beschreiben, die die genannten Nachteile herkömmlicher Ansätze überwinden.
Diese Aufgabe wird zunächst durch eine Energieübertragungseinheit nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitergehende Ausführungsformen und Implementierungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.
Die Energieübertragungseinheit weist eine Strahlungsquelle auf, die eingerichtet ist einen Energiestrahl zu erzeugen zum Übertragen von Energie von der Energieübertragungseinheit an eine Energieempfangseinheit.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit ist die Strahlungsquelle eingerichtet, phasenkohärentes Licht (Laser) im nicht sichtbaren oder sichtbaren Bereich abzustrahlen.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese eine Einheit zur Strahl- Formung auf, die eingerichtet ist den Energiestrahl der Strahlungsquelle, insbesondere mittels optischer Elemente, in einen geformten Energiestrahl umzuwandeln bzw. zu formen.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese einen mechanischen Aktor auf, der eingerichtet ist die Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls zu steuern.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese mehrere Strahlungsquellen und nicht-mechanische Steuerungsmittel auf, die eingerichtet sind die Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls durch Superposition der mehreren Strahlungsquellen zu steuern.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese nicht-mechanische Steuerungsmittel auf, die eingerichtet sind die Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls durch Steuerung bzw. Beeinflussung eines Brechungsindex in optischen Medien zu steuern. In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese einen Empfänger auf, der eingerichtet ist aus der Umgebung der Energieübertragungseinheit reflektierte Energiestrahl- Anteile zu empfangen und auszuwerten.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit ist der Empfänger als Demodulator ausgeführt oder weist einen Demodulator auf, der eingerichtet ist aus der Umgebung der Energieübertragungseinheit reflektierte und modulierte Energiestrahl- Anteile zu empfangen und zu demodulieren.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese eine Kamera auf, die eingerichtet ist Bilder bzw. Bildinformationen von der Umgebung der Energieübertragungseinheit aufzunehmen bzw. zu erfassen.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese implementierte Algorithmen einer Mustererkennung zum Auswerten von Bildern bzw. Bildinformationen auf, die mittels einer Kamera aufgenommen bzw. erfasst wurden.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit sind die Algorithmen der Mustererkennung in Form von einem oder mehreren ausführbaren Programmen bzw. Software innerhalb der Energieübertragungseinheit gespeichert.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen ist die Energieübertragungseinheit eingerichtet, die folgenden Maßnahmen durchzuführen:
- Erfassen wenigstens der folgenden Informationen durch die Kamera:
- Vorhandensein und Position von Markern bzw. Reflektoren einer Energieempfangseinheit,
- Position der Augen von Menschen und/oder Tieren,
- Prüfen des Vorhandenseins der Marker bzw. Reflektoren der Energieempfangseinheit und eines hinreichenden Sicherheitsabstands der Position eines Energiewandlers der Energieempfangseinheit von den Augen von Menschen und/oder Tieren als erforderliche Kriterien,
- sofern diese erforderlichen Kriterien erfüllt sind, Ausrichten der Strahlungsquelle der Energieübertragungseinheit auf eine detektierte Position der Energieempfangseinheit und Aktivieren der Strahlungsquelle, sodass ein Energiestrahl von der Strahlungsquelle erzeugt wird.
Die obige Aufgabe wird des Weiteren durch eine Energieempfangseinheit nach Patentanspruch 10 gelöst. Weitergehende Ausführungsformen und Implementierungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.
Die Energieempfangseinheit weist einen Energiewandler auf, der eingerichtet ist Energie eines Energiestrahls einer Energieübertragungseinheit zu empfangen und in elektrische Energie zu wandeln. Die Energieübertragungseinheit entspricht dabei beispielsweise einer Energieübertragungseinheit der oben erläuterten Art.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit weist diese einen oder mehrere Reflektoren auf, die nahe bzw. in der Nähe des Energiewandler angeordnet sind und eingerichtet sind, den Energiestrahl der Energieübertragungseinheit zumindest teilweise zu reflektieren.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit ist eine Mehrzahl von Reflektoren eingerichtet, die den Energiewandler, insbesondere kreisförmig, umgebend angeordnet sind.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit sind der oder die Reflektoren derart eingerichtet, dass deren Reflexionsgrad elektrisch steuerbar bzw. modulierbar ist.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit sind der oder die Reflektoren als steuerbare LCD-Elemente eingerichtet zum Steuern bzw. Modulieren von deren Reflexionsgrad.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit weist diese ein Element auf, das eingerichtet ist, die Steuerung bzw. Modulation des Reflexionsgrads der Reflektoren durchzuführen.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit weist diese einen oder mehrere optische Marker auf, die durch ihre mechanische Form, Farbe(n), Bedruckung mit Mustern und/oder digitalen Codes, Reflektoren (statisch oder modulierbar) und/oder durch den Einsatz von Lichtquellen (nicht sichtbares oder sichtbares Spektrum) ausgebildet sind zur Identifikation einer Lage, Orientierung und/oder Position der Energieempfangseinheit im Raum.
Die obige Aufgabe wird des Weiteren durch ein System nach Patentanspruch 15 gelöst. Das System umfasst eine Energieübertragungseinheit der oben erläuterten Art und eine Energieempfangseinheit der oben erläuterten Art. Die Energieübertragungseinheit und die Energieempfangseinheit sind derart räumlich zueinander ausgerichtet bzw. ausrichtbar, dass mittels eines von der Energieübertragungseinheit erzeugten Energiestrahls Energie von der Energieübertragungseinheit an die Energieempfangseinheit übertragbar ist. Die Energie kann von der Energieempfangseinheit empfangen und in elektrische Energie gewandelt werden.
Die obige Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zur Energie-Übertragung nach Patentanspruch 16 gelöst. Weitergehende Ausführungsformen und Implementierungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart. Das Verfahren ist zur Energie-Übertragung zwischen einer Energieübertragungseinheit und einer Energieempfangseinheit implementiert, die räumlich zueinander ausgerichtet sind bzw. ausrichtbar sind.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Erfassen wenigstens einer der folgenden Informationen, durch eine Kamera der Energieübertragungseinheit:
- Vorhandensein und Position von Markern bzw. Reflektoren der Energieempfangseinheit,
- Vorhandensein von Gegenständen, Menschen oder Tieren,
- Position der Augen von Menschen und/oder Tieren,
- Prüfen von definierten Kriterien anhand der erfassten Informationen, insbesondere des Vorhandenseins der Marker bzw. Reflektoren der Energieempfangseinheit und/oder eines hinreichenden Sicherheitsabstands der Position eines Energiewandlers der Energieempfangseinheit von den Augen von Menschen und/oder Tieren,
- sofern alle erforderlichen Kriterien erfüllt sind, Ausrichten einer Strahlungsquelle der Energieübertragungseinheit auf eine detektierte Position der Energieempfangseinheit und Aktivieren der Strahlungsquelle, sodass ein Energiestrahl von der Strahlungsquelle erzeugt wird,
- Empfangen von Energie des von der Strahlungsquelle erzeugten Energiestrahls durch die Energieempfangseinheit,
- Wandeln der empfangenen Energie in elektrische Energie mittels des Energiewandlers der Energieempfangseinheit.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird ein Prüfen der definierten bzw. erforderlichen Kriterien fortgesetzt, solange nicht hinreichend viele Kriterien erfüllt sind.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird ein Prüfen der definierten bzw. erforderlichen Kriterien periodisch in einem vorgegebenen Zeitintervall weitergeführt. Das Zeitintervall bzw. ein Zeitkriterium wird derart vorgegeben, dass a) sich die Positionen der Gegenstände, Menschen oder Tiere im Raum noch nicht wesentlich verändert haben, und/oder b) durch die Kürze der Zeit keine gefährliche Exposition, insbesondere der Augen, in den Energiestrahl stattfinden kann.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird nach Aktivieren der Strahlungsquelle diese deaktiviert oder deren Leistung reduziert, falls ein Prüfen der definierten bzw. erforderlichen Kriterien ergibt, dass nicht mehr hinreichend viele Kriterien erfüllt sind.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird der Energiestrahl mittels einer Einheit zur Strahl-Formung in einen geformten Energiestrahl umgewandelt bzw. geformt.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird eine Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls mittels eines mechanischen Aktors und/oder mittels nicht mechanischer Steuerungsmittel gesteuert.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird Energie des Energiestrahls von Reflektoren der Energieempfangseinheit reflektiert. Diese Reflexionen werden von einem Empfänger der Energieübertragungseinheit empfangen und ausgewertet.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens modulieren die Reflektoren der Energieempfangseinheit die Reflexionen. Der Empfänger arbeitet als Demodulator und empfängt und demoduliert die modulierten Reflexionen.
In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird eine Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls basierend auf den ausgewerteten Reflexionen fortlaufend nachgesteuert.
Die Erfindung löst die Aufgabe, elektronische Geräte drahtlos mit Energie zu versorgen, wobei insbesondere elektromagnetische Strahlung zur Übertragung der Energie zum Einsatz kommen soll. Zu den damit zu betreibenden Anwendungen zählen zum Beispiel mobile oder bewegliche Geräte wie tragbare Eingabegeräte, Controller, Mobiltelefone und Mobilcomputer, sowie Hörgeräte, Kleidung mit elektronischen Funktionen, ebenso Geräte wie Check-Karten, elektronische Labels, und Funksensoren, welche Parameter aus der Umgebung messen und per Funk übertragen. Ebenso sind Anwendungen jedoch auch fest installierte Geräte mit beweglichen oder unbeweglichen Teilen, wie elektronisch gesteuerte Türschlösser, Sensoren und Aktoren der Gebäudeautomatisierung, in Schienen- und Straßenfahrzeugen, in der Produktion oder in der in der Medizintechnik oder an baulichen Einrichtungen wie z.B. Gebäuden, Tunneln, Staudämmen, Brücken.
Im Unterschied zu Lösungen aus dem Stand der Technik bezieht sich die Erfindung auf die Übertragung von Energie bei deutlich höheren Frequenzen, konkret im optischen Wellenlängenbereich von etwa 100 nm bis 10 pm, welcher das sichtbare Spekrum sowie Bereiche darunter und darüber einschließt.
Nachfolgend sind einige Merkmale aufgezählt, die in diversen Implementierungen oder Weiterbildungen der Erfindung alternativ oder ergänzend, für sich genommen oder in Kombination mit andern Merkmalen bzw. Implementierungen herangezogen werden.
1. Verfahren zum Übertragen von Energie mittels gerichteter elektromagnetischer Strahlung, im Wesentlichen umfassend/bestehend aus einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger, welcher die ausgesendete elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelt,
2. Einsatz von kohärenter Strahlung,
3. Einsatz von nicht kohärenter Strahlung,
4. Strahlformung zur Erreichung eines unkritischen Energiedichte pro Fläche durch Linsen oder Spiegel, 5. Ausrichtung des Energiestrahls durch bewegliche oder deformierbare Linsen oder Spiegel oder eine bewegliche Strahlungsquelle,
6. Einsatz eines Empfängers am Laser, der aus der Umgebung rückgestreute Strahlungsanteile empfangen und demodulieren kann,
7. Einsatz mindestens einer Kamera, die mit Bilderkennungsalgorithmen arbeitet (KI), welche ausgebildet sind, Personen und Tiere zu erkennen und die Position der Augen zu erkennen und zu verfolgen und weiterhin geeignet sind, optische Marker zu erkennen,
8. Einsatz von optischen Markern am Empfänger der Energie:
Farbmarkierungen, Leuchtdioden, Spezielle Formen oder eine Kombination daraus,
9. Einsatz einer photovoltaischen Zelle zum Wandeln der Strahlungsenergie in elektrische Energie,
10. Einsatz von Reflektoren am Empfänger der Energie, welche in ihrem Reflektionsgrad modulierbar sind, z.B. durch elektrisch ansteuerbare LCD Elemente gebildet,
11. Anordnung der modulierbaren Reflektoren um die photovoltaische Zelle herum,
12. Energieversorgung auch von mehreren oder Vielen Empfängern mit einer Quelle.
Sämtliche strukturellen Merkmale der oben erläuterten Energieübertragungseinheit bzw. Energieempfangseinheit oder des oben erläuterten Systems können Niederschlag finden in entsprechenden Verfahrensschritten oder Maßnahmen und umgekehrt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von mehreren Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Block-Diagramm eines Energie- Senders,
Figur 2 ein Block-Diagramm eines Energie-Empfängers,
Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energie-Übertragung und
Figur 4 eine schematisierte räumliche Anordnung am Beispiel eines
Spielecontrollers bzw. Spielesystems
Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen wesentliche Komponenten in einem System zur drahtlosen Übertragung von Energie.
Figur 1 zeigt ein Block-Diagramm eines Energie- Senders (Energie-Transmitter) 1. Figur 1 zeigt dabei eine Senderseite der Energie-Übertragung. Eine Energiequelle 1.1 liefert die elektrische Betriebsenergie für alle Komponenten. Die Energiequelle 1.1 ist beispielsweis durch das lokale Stromnetz gebildet. Je nach Anwendungsfall werden alternativ oder ergänzend jedoch auch Batterien, Stromgeneratoren oder Umgebungsenergie, wie etwa Solarenergie oder Windenergie, als Energiequelle 1.1 eingesetzt. Wesentliches Element ist weiterhin eine Strahlungsquelle 1.4, welche vorzugsweise phasenkohärentes Licht (Laser) im nicht sichtbaren oder sichtbaren Bereich abstrahlt. Dabei kommen vorzugsweise Halbleiter-Laser oder andere, nichtkohärente Halbleiter-Lichtquellen zum Einsatz.
Mit der Strahlungsquelle/Lasereinrichtung 1.4 verbunden ist eine Einheit zur Strahl- Formung 1.5. Diese hat beispielsweise die Aufgabe/Funktion, die Energiedichte auf für das menschliche Auge ungefährliche Pegel herabzusetzen, indem der Energiestrahl 1.4.1 der Strahlungsquelle 1.4 mittels optischer Elemente 1.5.1, wie feste Linsen, deformierbare Linsen oder Spiegel oder eine Kombination dieser Komponenten, so zu einem geformten Strahl 1.5.2 geformt wird, dass die Energie, welche z.B. die Fläche der menschlichen Pupille treffen kann, für diese zumindest für kurze Zeiträume unschädlich ist. Eine Formung des Energiestrahls 1.4.1 in den geformten Strahl 1.5.2 mittels der Strahl-Formung 1.5 umfasst hier beispielsweise eine Strahl aufweitung, Verbreiterung oder Streuung. In alternativen Implementierungen umfasst die Formung des Energiestrahls 1.4.1 in den geformten Strahl 1.5.2 mittels der Strahl-Formung 1.5 beispielsweise eine Strahlverengung, Konzentration oder Bündelung.
Gleichzeitig wird, als zweite Bedingung, der Energiestrahl so geformt, dass dieser bei Auftreffen auf einen Energiewandler 2.1 des Empfängers 2 (siehe Figur 2) die bestmögliche Überdeckung aufweist. Dies ist nicht nur beim Einsatz kohärenter Strahlung, sondern auch bei nichtkohärenter Strahlung anwendbar und ein wesentliches Element der vorgestellten Lösung.
Teil einer (optional) implementierten Sicherheitsvorrichtung ist ein Schutz gehen Demontage der Lasereinrichtung 1.4 oder Zerstörung / Abmontieren der Strahlformung 1.5 bzw. 1.5.1. Dies wird beispielsweise durch Sensoren oder durch eine unterbrechende Stromzuleitungsführung erreicht, die bei Demontage den Laser 1.4 deaktivieren und damit den Austritt unzulässiger Leistungspegel 1.4.1 unterbinden.
Teil der Lasereinrichtung 1.4 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Empfänger/Demodulator 1.4.2 für Strahlung der gleichen Wellenlänge, der die aus der Umgebung reflektierten Anteile empfangen und demodulieren kann.
Ein weiteres Element ist ein mechanischer Aktor oder Motor 1.6, welcher die Richtung des Energiestrahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 steuern kann. Dazu können z.B. Elektromotoren oder Piezomotoren eingesetzt werden, welche auf die Strahlungsquelle 1.4 oder die optischen Elemente 1.5 bzw. 1.5.1 oder auf beide wirken. Weiterhin können nichtmechanische Steuerungen des Energiestrahls zum Einsatz kommen, welche mit der Steuerung der Richtung durch Superposition mehrerer Strahlungsquellen oder mit der Steuerung des Brechungsindex in optischen Medien arbeiten.
Ein weiteres Element dieser Ausführungsform ist eine Kamera 1.7, die Bilder von der Umgebung aufnimmt. Die Umgebung kann optional mit einer Infrarot-Lichtquelle 1.9 beleuchtet werden, wenn das Umgebungslicht nicht ausreicht. Ein weiteres, optionales Element ist ein Funk- Sendeempfänger (Transceiver) 1.8, welcher Informationen absenden und empfangen kann. Insbesondere kommen in dieser beispielhaften Implementierung auch Algorithmen der Mustererkennung 1.3 zum Einsatz, um die Bilder auszuwerten, welche die Kamera 1.7, ggf. unter Verwendung der Infrarot-Lichtquelle 1.9, von der Umgebung aufnimmt. Die Algorithmen der Mustererkennung 1.3 sind beispielsweise in Form von ausführbaren Programmen bzw. Software gespeichert.
Ein weiteres wesentliches Element ist ein Mikrokontroller 1.2, der hier beispielhaft alle Aufgaben der Regelung und Steuerung der einzelnen Komponenten bzw. der Ausführung von Programmen oder Software durchführt und insbesondere Datenströme aus der Kamera 1.7, dem Funktransceiver 1.8 und den rückgestreuten Signalen des Lasers aus dem Demodulator 1.4.2 verarbeiten kann. Der Mikrokontroller ist beispielsweise auch eingerichtet, die Algorithmen der Mustererkennung 1.3 auszuführen.
Die Algorithmen der Mustererkennung 1.3 sind beispielsweise dafür ausgelegt, dass a) Menschliche Personen und Haustiere von der Umgebung unterschieden werden können und/oder b) Insbesondere die Position der Augen identifiziert werden kann und/oder c) Marker, die sich am Empfängergerät (siehe Figur 2) befinden, erkannt werden können.
Figur 2 zeigt wesentliche Elemente des Energie-Empfängers (Energie-Receiver) 2. So ist 2.1 ein Energiewandler, welche die empfangene Strahlung (den empfangenen Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2) in elektrische Energie wandelt. Dafür können vorzugsweise photovoltaische Zellen zu Einsatz kommen, welche auf die Wellenlänge der Strahlung optimiert sind, z.B. GaAS Solarzellen, welche auf Wellenlängen von 850nm optimiert wurden.
In der Nähe des Energiewandlers 2.1 sind optional Reflektoren 2.3 angeordnet, deren Reflexionsgrad elektrisch gesteuert bzw. moduliert werden kann. Dies ist z.B. auf besonders energiesparende Weise durch LCD-Elemente möglich. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist der Energiewandler 2.1 kreisförmig, wobei eine Mehrzahl von Reflektoren 2.3 den Energiewandler 2.1 kreisförmig umgebend angeordnet sind. In anderen Implementierungen sind alternative Anordnungen der Reflektoren 2.3 vorgesehen.
Ein weiteres Element sind optische Marker 2.2, die sich am Gerät 2 befinden und welche von der entfernten Kamera 1.7 des Energie-Senders 1 (siehe Figur 1 und obige Erläuterungen) leicht identifiziert werden können. Diese Marker 2.2 können durch ihre mechanische Form, Farben, Bedruckung mit Mustern und/oder digitalen Codes, Reflektoren (statisch oder modulierbar) und/oder durch den Einsatz von Lichtquellen (nicht sichtbares oder sichtbares Spektrum) ausgebildet sein.
Dem Energiewandler 2.1 zugeordnet ist eine elektronische Schaltung 2.4, welche das Ladungsmanagement eines Energiespeichers 2.5 übernimmt. Dieser Energiespeicher 2.5 bildet in dieser Ausführung die wesentliche Energiequelle für das mit dem Strahlungsempfänger/Energie-Empfänger 2 ausgestattete und zu betreibende Gerät, welches über die Sammlung von Energie weitere Funktionen aufweist. Weiterhin gibt es in der dargestellten Ausführungsform ein Element 2.7, welches die Steuerung der Modulation der Reflektoren 2.3 vomimmt, sobald Strahlung auf den Energiewandler 2.1 trifft. Das Element 2.7 ist in diesem Beispiel eine dedizierte elektronische Schaltung 2.7, was den Vorteil einer besonders geringen Stromaufnahme bietet und auch bei entleertem Energiespeicher 2.5 und ggf. ohne Einsatz eines Mikrokontrollers/Controller 2.6 funktioniert, sobald Energie auf der Solarzelle/dem Energiewandler 2.1 eintrifft. In alternativen Implementierungen wird diese Funktion des Elements 2.7 durch den Mikrokontroller 2.6 übernommen. Dabei kann das Element 2.7 entfallen.
Weiterhin weist der Energie-Empfänger 2 einen Funk-Sendeempfänger (Transceiver) 2.8 auf, welcher Daten mit dem Transceiver 1.8 des Energie- Senders 1 (siehe Figur 1 und obige Erläuterungen) austauschen kann.
Figur 3 zeigt in einem Ablaufdiagramm ein Verfahren zur Energie-Übertragung. Die wesentlichen aufgezeigten Schritte werden z.B. beim Betreiben eines Systems aus Energie- Sender 1 (siehe Figur 1) und Energie-Empfänger 2 (siehe Figur 2) der oben erläuterten Art typischerweise durchlaufen.
Bei Einschalten des Energie- Senders 1 wird zunächst die Kamera 1.7 aktiviert. Diese liefert Umgebungsbilder, die mit Hilfe der Bildverarbeitungs- Algorithmen 1.3 analysiert werden. Dabei werden insbesondere folgende Informationen gewonnen:
- Vorhandensein und Position der Marker 2.2 bzw. Reflektoren 2.3,
- Vorhandensein von Menschen oder Tieren,
- Position der Augen von Menschen oder Tieren.
Sodann wird ein Satz von Kriterien geprüft, die erfüllt sein müssen, bevor der Laser 1.4 aktiviert werden kann. Dazu zählen zumindest das Vorhandensein der Marker 2.2 und ein hinreichender Sicherheitsabstand der Position des Energiewandlers/der Solarzelle 2.1 des Energie-Empfängers 2 von den Augen von Menschen und Tieren.
Sind nicht hinreichend viele Kriterien erfüllt, wird die Prüfung der Kamerabilder fortgesetzt. Dabei können auch modifizierte Algorithmen 1.3 eingesetzt werden, welche es erlauben, einmal identifizierte Gegenstände bei Bewegung im Raum zu verfolgen.
Die Prüfung der Kriterien wird, unabhängig vom Ergebnis, periodisch weitergeführt, wobei ein Zeitkriterium garantiert, dass sich a) die Positionen der Gegenstände im Raum noch nicht wesentlich verändert haben können, und/oder b) durch die Kürze der Zeit keine gefährliche Exposition insbesondere der Augen stattfinden kann.
Sobald alle erforderlichen Kriterien erfüllt sind, wird der Laser 1.4 auf die durch die Marker 2.2 ermittelte Position gerichtet und aktiviert. Die modulierbaren Reflektoren 2.3, welche den Energiewandler 2.1 des Energie-Empfängers 2 umgeben, reflektieren den Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2, sobald sie von diesem getroffen werden. Diese Reflexionen werden vom Empfänger der reflektierten Anteile, z.B. insbesondere Komponente 1.4.2, welcher baulich in der Nähe des Transmitters (Laser 1.4) und der Kamera 1.7 angeordnet ist, empfangen und ausgewertet. Damit kann jetzt auf die präzise Überdeckung des Energie Strahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 mit dem Energiewandler 2.1 geschlossen werden. Diese Information wird für das fortlaufende Nachsteuern der Richtung des Energiestrahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 durch die Strahlsteuerung des Transmitters (Laser 1.4) verwendet. Die Strahlsteuerung erfolgt z.B. über die Komponente 1.6 und/oder die Komponente 1.5.
Sollten, durch eine etwaige Ungenauigkeit der Methode der optischen Marker 2.2 bzw. Reflektoren 2.3, keine reflektierten Anteile mit der entsprechenden Modulation eintreffen, kann das nähere Umfeld der berechneten Position des Energiewandlers 2.1 mit dem Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2 abgetastet werden, bis sich entsprechende Modulationen zeigen und die genaue Position angeben.
Nachfolgend wird der Einsatz in verschiedenen Anwendungen beschrieben.
I. Anwendungsbeispiel Spielekontroller:
Figur 4 verdeutlicht ein Anwendungsbeispiel der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren anhand eines Spielekontrollers. Figur 4 verdeutlicht die generelle räumliche Anordnung der Komponenten am Anwendungsbeispiel der Energieübertragung für einen Spiele-Controller 3.4, welcher eine Spielekonsole 3.5 kontrolliert, deren Bilder auf einem Bildschirm 3.3 angezeigt werden.
Dabei sind wesentliche Teile des Energie- Sender s/der Energie-Sendeeinrichtung 1 hier beispielhaft in der Nähe des Bildschirms 3.3 untergebracht, können jedoch generell auch in andere Geräte integriert werden, wie die Spielekonsole 3.5 oder den Bildschirm 3.3.
Die Energie-Sendeeinrichtung 1 weist in diesem Beispiel die in Figur 1 näher bezeichneten und oben erläuterten Funktionsblöcke, hier in Figur 4 sichtbar die Kamera (siehe 1.7 in Figur 1) und Strahlenquelle (siehe 1.4/1.5 in Figur 1), welche den (geformten) Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.1 aussendet und ausrichtet. Dabei wird mit dem beschriebenen Verfahren die Position von Menschen 3.1, Haustieren 3.2 und insbesondere von deren Augen erkannt und berücksichtigt. Die Position der Augen ist deswegen wichtig, weil prinzipiell auch ein Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.1 ungefährlicher Leistungsdichte durch optische Hilfsmittel wie Linsen, Spiegel, Fernrohre, etc. auf hohe Flächenleistungen gebündelt werden kann. Selbst bei verdeckten Augen, wenn beispielsweise eine Person mit dem Fernglas in die Strahlungsquelle blicken würde, ist deren Position in Relation zum Körper mit den obigen Maßnahmen und Merkmalen erkennbar bzw. bekannt und eine Aussendung von Energie kann von der Energie-Sendeeinrichtung 1 unterbunden werden.
Der Spielecontroller 3.5 ist in diesem Beispiel das Energieempfangende Gerät 2. Es verfügt über an der Außenseite angebrachte Marker 2.2, welche durch ihren besonders hohen Kontrast leicht und mit hoher Genauigkeit von den Bilderkennungs- Algorithmen 1.3 des Energie- Senders 1 erkannt werden können. Dies erlaubt eine schnelle und präzise Lokalisierung des Spielecontrollers 3.5 in der Ebene/im Raum. Weiterhin ist beispielsweise durch Auswertung der Laufzeit kurzer Lichtimpulse oder durch die Verwendung anders/variabel modulierten Lichtes, eine Bestimmung der Entfernung der Marker 2.2 zur Kamera 1 (siehe 1.7 in Figur 1) möglich.
Wie beschrieben, kann nach Erkennung der Personen 3.1 und Haustiere 3.2 und deren Augen und der Prüfung einer Liste von Sicherheitskriterien der Energietransfer gestartet werden, wobei der Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2 die photovoltaische Zelle/den Energiewandler 2.1 trifft und die genaue Ausrichtung des Energiestrahls
I.4.1 bzw. 1.5.2 durch die Auswertung der durch die Reflektoren 2.3 (siehe Figur 2 und obige Erläuterungen) modulierten Anteile des Energiestrahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 nachgesteuert werden kann. Diese Auswertung ist, verglichen mit der Auswertung der Position durch die Kamera 1 (siehe 1.7 in Figur 1), deutlich schneller und erlaubt auch raschen Bewegungen des Controllers 3.4 zu folgen, ohne dass die Energieversorgung unterbrochen wird.
II. Anwendungsbeispiel Energieversorgung von Funksensoren und Aktoren:
Nachfolgend werden weitere Anwendungsbeispiele der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren erläutert.
Funksensoren und Funkaktoren, die ihre Daten oder Aktionsbefehle per Funk übertragen, werden heute bereits vielfältig eingesetzt. Dabei ist die Energieversorgung ein kritischer Punkt, insbesondere wenn Batteriewechsel kostspielig sind (erschwerter Zugang) bzw. keine Umgebungsenergie zur Verfügung steht (insbesondere nur unzureichendes Licht).
Beispiele sind:
- Funksensoren in Tunneln, welche Strukturparameter, Temperatur, Feuchte, Luftqualität messen, den Verkehr überwachen;
- Funksensoren auf bewegten oder rotierenden Maschinenteilen, welche z.B. Kräfte, Drehmoment, Abstand, Temperaturen messen;
- Funksensoren, welche in der Fertigungslogistik oder Lagerhaltung den Füllstand von Gütern überwachen und berichten, z.B., indem Träger für Waren auf Fließbändern oder in Hochregal-Lagern verfolgt werden;
- Funksensoren, welche an Fahrzeugen wie Autos oder Schienenfahrzeugen montiert sind, und die von stationär montierten Energiesendern mit Energie versorgt werden, und dann während der Vorbeifahrt Daten über Identität und Zustand der Transportfahrzeuge auslesbar machen;
- Sensoren an Flugzeugen, welche z.B. sicherheitsrelevante Messwerte aus den inneren Tragflächen gewinnen helfen und dabei Kabel/Gewicht sparen.
- Funksensoren / Funkaktoren, welche Zugangsinformationen verarbeiten und/oder Zugangssysteme verriegeln/entriegeln. Hier sind zum Beispiel Funk- Sensoren in Türen gemeint, welche zum einen den Zustand der Tür (Offen, geschlossen, verriegelt) berichten, die darüber hinaus aber auch per Funk angewiesen werden können, mittels elektromechanischer Aktoren eine Tür zu verriegeln oder zu entriegeln.
III. Anwendungsbeispiel Energieversorgung von Mobilgeräten:
Nachfolgend werden weitere Anwendungsbeispiele der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren erläutert. Mobiltelefone, Mobilcomputer und ähnliche Geräte können mit den oben beschriebenen Komponenten, Systemen und Verfahren geladen werden, ohne dass Kabel angesteckt werden müssen und/oder ohne dass eine genaue Positionierung auf z.B. Ladematten oder Ladedocks erforderlich wäre. Der Energie- Sender 1 kann dazu z.B. zentral in Räumen an der Decke angebracht werden.
IV. Anwendungsbeispiel Energieversorgung von tragbaren Geräten (Wearables):
Nachfolgend werden weitere Anwendungsbeispiele der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren erläutert.
Tragbare Geräte (Wearables) wie Fitness-Tracker, Medizingeräte, Smartwatches, Hörgeräte, elektronische Brillen mit Videofunktion, Virtual Reality Brillen, oder Elektronik, die mit der Kleidung verbunden ist, können mit den oben beschriebenen Komponenten, Systemen und Verfahren mit Energie versorgt werden. Dies ist besonders sinnvoll möglich, wenn eine Infrastruktur an Energie- Sendern 1 an den Orten installiert ist, an denen diese Verwendung notwendig oder besonders wahrscheinlich ist.
Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft gewählt.

Claims

Patentansprüche
1. Energieübertragungseinheit (1), aufweisend:
- eine Strahlungsquelle (1.4), die eingerichtet ist einen Energiestrahl (E4.1) zu erzeugen zum Übertragen von Energie von der Energieübertragungseinheit (1) an eine Energieempfangseinheit (2),
- eine Kamera (E7), die eingerichtet ist Bilder bzw. Bildinformationen von der Umgebung der Energieübertragungseinheit (1) aufzunehmen bzw. zu erfassen, sowie
- implementierte Algorithmen einer Mustererkennung (E3) zum Auswerten von Bildern bzw. Bildinformationen, die mittels der Kamera (E7) aufgenommen bzw. erfasst wurden, wobei die Energieübertragungseinheit (1) eingerichtet ist, die folgenden Maßnahmen durchzuführen:
- Erfassen wenigstens der folgenden Informationen durch die Kamera (1.7):
- Vorhandensein und Position von Markern (2.2) bzw. Reflektoren (2.3) einer Energieempfangseinheit (2),
- Position der Augen von Menschen und/oder Tieren,
- Prüfen des Vorhandenseins der Marker (2.2) bzw. Reflektoren (2.3) der Energieempfangseinheit (2) und eines hinreichenden Sicherheitsabstands der Position eines Energiewandlers (2.1) der Energieempfangseinheit (2) von den Augen von Menschen und/oder Tieren als erforderliche Kriterien,
- sofern diese erforderlichen Kriterien erfüllt sind, Ausrichten der Strahlungsquelle (1.4) der Energieübertragungseinheit (1) auf eine detektierte Position der Energieempfangseinheit (2) und Aktivieren der Strahlungsquelle (1.4), sodass ein Energiestrahl (1.4.1) von der Strahlungsquelle (1.4) erzeugt wird.
2. Energieübertragungseinheit (1) nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsquelle (1.4) eingerichtet ist phasenkohärentes Licht (Laser) im nicht sichtbaren oder sichtbaren Bereich abzustrahlen.
3. Energieübertragungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend eine Einheit zur Strahl-Formung (1.5), die eingerichtet ist den Energiestrahl (1.4.1) der Strahlungsquelle (1.4), insbesondere mittels optischer Elemente (1.5.1), in einen geformten Energiestrahl (1.5.2) umzuwandeln bzw. zu formen.
4. Energieübertragungseinheit (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter aufweisend einen mechanischen Aktor (1.6), der eingerichtet ist die Richtung des Energiestrahls (1.4.1) bzw. des geformten Energiestrahls (1.5.2) zu steuern.
5. Energieübertragungseinheit (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter aufweisend mehrere Strahlungsquellen (1.4) und nicht-mechanische Steuerungsmittel, die eingerichtet sind die Richtung des Energiestrahls (1.4.1) bzw. des geformten Energiestrahls (1.5.2) durch Superposition der mehreren Strahlungsquellen (1.4) zu steuern.
6. Energieübertragungseinheit (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter aufweisend nicht-mechanische Steuerungsmittel, die eingerichtet sind die Richtung des Energiestrahls (1.4.1) bzw. des geformten Energiestrahls (1.5.2) durch Steuerung bzw. Beeinflussung eines Brechungsindex in optischen Medien zu steuern.
7. Energieübertragungseinheit (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter aufweisend einen Empfänger (E4.2), der eingerichtet ist aus der ETmgebung der Energieübertragungseinheit (1) reflektierte Energiestrahl-Anteile zu empfangen und auszuwerten.
8. Energieübertragungseinheit (1) nach Anspruch 7, wobei der Empfänger (E4.2) als Demodulator ausgeführt ist oder einen Demodulator aufweist, der eingerichtet ist aus der Umgebung der Energieübertragungseinheit (1) reflektierte und modulierte Energiestrahl- Anteile zu empfangen und zu demodulieren.
9. Energieübertragungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Algorithmen der Mustererkennung (E3) in Form von einem oder mehreren ausführbaren Programmen bzw. Software innerhalb der Energieübertragungseinheit gespeichert sind.
10. Energieempfangseinheit (2), aufweisend:
- einen Energiewandler (2.1), der eingerichtet ist Energie eines Energiestrahls (1.4.1) einer Energieübertragungseinheit (1) zu empfangen und in elektrische Energie zu wandeln,
- einen oder mehrere Reflektoren (2.3), die nahe bzw. in der Nähe des Energiewandler (2.1) angeordnet sind und eingerichtet sind, den Energiestrahl (1.4.1) der Energieübertragungseinheit (1) zumindest teilweise zu reflektieren, sowie
- einen oder mehrere optische Marker (2.2), die durch ihre mechanische Form, Farbe(n), Bedruckung mit Mustern und/oder digitalen Codes, Reflektoren (statisch oder modulierbar) und/oder durch den Einsatz von Lichtquellen (nicht sichtbares oder sichtbares Spektrum) ausgebildet sind zur Identifikation einer Lage, Orientierung und/oder Position der Energieempfangseinheit (2) im Raum durch eine Kamera (1.7) der Energieübertragungseinheit (1).
11. Energieempfangseinheit (2) nach Anspruch 10, wobei eine Mehrzahl von Reflektoren (2.3) eingerichtet ist, die den Energiewandler (2.1), insbesondere kreisförmig, umgebend angeordnet sind.
12. Energieempfangseinheit (2) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der oder die Reflektoren (2.3) derart eingerichtet sind, dass deren Reflexionsgrad elektrisch steuerbar bzw. modulierbar ist.
13. Energieempfangseinheit (2) nach Anspruch 12, wobei der oder die Reflektoren (2.3) als steuerbare LCD-Elemente eingerichtet sind zum Steuern bzw. Modulieren von deren Reflexionsgrad.
14. Energieempfangseinheit (2) nach Anspruch 12 oder 13, ferner aufweisend ein Element (2.7), das eingerichtet ist, die Steuerung bzw. Modulation des Reflexionsgrads der Reflektoren (2.3) durchzuführen.
15. System mit einer Energieübertragungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einer Energieempfangseinheit (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Energieübertragungseinheit (1) und die Energieempfangseinheit (2) derart räumlich zueinander ausgerichtet sind bzw. ausrichtbar sind, dass mittels eines von der Energieübertragungseinheit (1) erzeugten Energiestrahls (1.4.1) Energie von der Energieübertragungseinheit an die Energieempfangseinheit (2) übertragbar ist, die von der Energieempfangseinheit (2) empfangen und in elektrische Energie gewandelt wird.
16. Verfahren zur Energie-Übertragung zwischen einer
Energieübertragungseinheit (1) und einer Energieempfangseinheit (2), die räumlich zueinander ausgerichtet sind bzw. ausrichtbar sind, umfassend die folgenden Schritte:
- Erfassen wenigstens der folgenden Informationen durch eine Kamera (1.7) der Energieübertragungseinheit (1):
- Vorhandensein und Position von Markern (2.2) bzw. Reflektoren (2.3) der Energieempfangseinheit (2),
- Position der Augen von Menschen und/oder Tieren,
- Prüfen des Vorhandenseins der Marker (2.2) bzw. Reflektoren (2.3) der Energieempfangseinheit (2) und eines hinreichenden Sicherheitsabstands der Position eines Energiewandlers (2.1) der Energieempfangseinheit (2) von den Augen von Menschen und/oder Tieren als erforderliche Kriterien,
- sofern diese erforderlichen Kriterien erfüllt sind, Ausrichten einer Strahlungsquelle (1.4) der Energieübertragungseinheit (1) auf eine detektierte Position der Energieempfangseinheit (2) und Aktivieren der Strahlungsquelle (1.4), sodass ein Energiestrahl (1.4.1) von der Strahlungsquelle (1.4) erzeugt wird,
- Empfangen von Energie des von der Strahlungsquelle (1.4) erzeugten Energiestrahls (1.4.1) durch die Energieempfangseinheit (2),
- Wandeln der empfangenen Energie in elektrische Energie mittels des Energiewandlers (2.1) der Energieempfangseinheit (2).
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Prüfen der erforderlichen Kriterien fortgesetzt wird, solange nicht hinreichend viele Kriterien erfüllt sind.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei ein Prüfen der erforderlichen Kriterien periodisch in einem vorgegebenen Zeitintervall weitergeführt wird, wobei das Zeitintervall bzw. ein Zeitkriterium derart vorgegeben wird, dass a) sich die Positionen von Gegenständen, Menschen oder Tieren noch nicht wesentlich verändert haben, und/oder b) durch die Kürze der Zeit keine gefährliche Exposition, insbesondere der Augen, in den Energiestrahl (1.4.1) stattfinden kann.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei nach Aktivieren der Strahlungsquelle (1.4) diese deaktiviert wird oder deren Leistung reduziert wird, falls ein Prüfen der erforderlichen Kriterien ergibt, dass nicht mehr hinreichend viele Kriterien erfüllt sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der Energiestrahl (1.4.1) mittels einer Einheit zur Strahl-Formung (1.5) in einen geformten Energiestrahl (1.5.2) umgewandelt bzw. geformt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei eine Richtung des Energiestrahls (1.4.1) bzw. des geformten Energiestrahls (1.5.2) mittels eines mechanischen Aktors (1.6) und/oder mittels nicht-mechanischer Steuerungsmittel gesteuert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei Energie des Energiestrahls (1.4.1) von Reflektoren (2.3) der Energieempfangseinheit (2) reflektiert wird und diese Reflexionen von einem Empfänger (1.4.2) der Energieübertragungseinheit (1) empfangen und ausgewertet werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Reflektoren (2.3) der Energieempfangseinheit (2) die Reflexionen modulieren und der Empfänger (1.4.2) als Demodulator arbeitet und die modulierten Reflexionen empfängt und demoduliert.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, wobei eine Richtung des Energiestrahls (1.4.1) bzw. des geformten Energiestrahls (1.5.2) basierend auf den ausgewerteten Reflexionen fortlaufend nachgesteuert wird.
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