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Drahtlose Stromversorgung - Wann verschwinden alle diese Kabel?

Wird die drahtlose Energieübertragung jemals Realität?

Drahtlose Energieübertragung war vor über hundert Jahren der Traum von Nikola Tesla. Trotz erheblicher Verbesserungen seiner Arbeit und der Arbeit vieler anderer seitdem scheint echte drahtlose Energieversorgung auch heute noch ein Wunschtraum zu sein.

Das wirft also die Frage auf, wann oder ob eine Welt ohne Drähte jemals erreicht werden wird? Schauen wir uns das an.

Was ist drahtlose Energieübertragung?

WPT oder drahtlose Energieübertragung ist die Übertragung elektrischer Energie von einem Punkt zu einem anderen durch ein Vakuum oder die Luft, ohne dass Drähte oder andere physikalische Mittel erforderlich sind. WPT kann möglicherweise verwendet werden, um bei Bedarf eine sofortige Stromabgabe oder eine kontinuierliche Energieabgabe bereitzustellen.

Quelle : Chapendra / Flickr

Moderne Anwendungen dieser Art von Technologie werden vorgeschlagen, wenn herkömmliche Verkabelung unerschwinglich, gefährlich oder einfach ist. weniger bequem Beispiele hierfür sind heute drahtlose Ladekissen für intelligente Geräte.

Im Großen und Ganzen kann die drahtlose Energieübertragung durch eine Vielzahl von Techniken erreicht werden, einschließlich :

  • Induktive Kopplung
  • Magnetresonanzinduktion
  • Elektrostatische Induktion
  • Resonanzinduktive Kopplung
  • Mikrowellenübertragung
  • Laserleistung

Die ersten vier davon sind im Allgemeinen nur für kurze Entfernungen praktikabel, während die beiden letzteren speziell für die drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen ausgelegt sind.

Was ist kabelloses Laden?

Drahtloses oder induktives Laden ist eine Art der Energieübertragung, bei der tragbare Geräte wie Smartphones und Tablets durch elektromagnetische Induktion mit Strom versorgt werden. Die häufigste Form ist heute der sogenannte Qi-Standard für das drahtlose Laden von Qi für intelligente Geräte.

Die Technologie ist jedoch auch in bestimmten Fahrzeugen, Elektrowerkzeugen, anderer Unterhaltungselektronik wie Zahnbürsten und einigen medizinischen Geräten zu finden. Um sie zu verwenden, werden kompatible elektronische Geräte in der Nähe einer Ladestation platziert und aufgeladen, ohne dass sie genau ausgerichtet werden müssen oderelektrischen Kontakt damit herstellen.

Im Allgemeinen gibt es drei Hauptarten des drahtlosen Ladens. Dies sind :

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  • Ladekissen - Diese verwenden zum Betrieb eine eng gekoppelte elektromagnetische induktive oder nicht strahlende Ladung.
  • Ladeschalen oder Ladegeräte mit durchgehender Oberfläche - Diese verwenden lose gekoppelte oder strahlende elektromagnetische Resonanzladung, um Ladung über einige Zentimeter zu übertragen.
  • Funkentkopplung mit ungekoppelter Funkfrequenz RF - Diese Art von System ermöglicht das "Erhaltungsladen" in Entfernungen von vielen Metern.
Quelle : Libert Schmidt / Flickr

Alle diese verwenden dasselbe Prinzip, um ein zeitlich veränderliches Magnetfeld zu erzeugen, um einen Strom in einer geschlossenen Drahtschleife zu induzieren.

Obwohl es für Verbraucherprodukte noch relativ neu ist, werden Sie überrascht sein, dass das kabellose Laden eigentlich ein ziemlich altes Konzept ist - tatsächlich ist es etwas mehr als 100 Jahre alt. Mehr dazu später.

Wie funktioniert das kabellose Laden?

Die meisten drahtlosen Ladevorgänge erfolgen über einen Prozess, der als induktive Kopplung bezeichnet wird. Hierbei wird Wechselstrom über eine Induktionsspule in der Ladestation oder im Pad auch als Primärspule oder Übertragungsspule bezeichnet angelegt.

Da jede sich bewegende elektrische Ladung ein Magnetfeld erzeugt, erzeugt die Übertragungsspule genau ein Feld, dessen Intensität regelmäßig schwankt, wenn sich die Amplitude des Wechselstroms ständig ändert.

Diese Änderung der Magnetfeldstärke erzeugt ein sogenanntes elektromotorisches Feld, wie von beschrieben Faradaysches Induktionsgesetz .

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Dieses Gesetz besagt, dass eine induzierte Spannung in einem Stromkreis proportional zur zeitlichen Änderungsrate des Magnetflusses durch diesen Stromkreis ist. Im Klartext bedeutet dies, dass die Spannung des Stromkreises umso größer ist, je schneller sich ein Magnetfeld ändertund jede Änderung der Richtung des Magnetfeldes bestimmt auch die Richtung eines induzierten Stroms.

Die Spannung eines Stromkreises kann daher erhöht werden, indem einem Stromkreis mehr Schleifen hinzugefügt werden. Eine Spule mit zwei Schleifen hat also die doppelte Spannung wie nur eine einzige Schleife. Dies ist das Gesetz, das dem Entwurf und Betrieb von Elektrizität zugrunde liegtMotoren und Generatoren und erklärt, warum diese Geräte dazu neigen, mehrere Spulen zu haben.

Quelle : Tony Webster / Flickr

Aus diesem Grund haben drahtlose Ladekissen für Smartphones eine relativ kurze Reichweite, da die darin enthaltenen Kupferspulen nur wenige cm Durchmesser haben.

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Durch Erhöhen der Größe der verwendeten Spule n können auch die Entfernung und die Wirksamkeit des drahtlosen Ladens deutlich erhöht werden. Je größer die Spulen oder je größer die Anzahl, desto größer der Wirkungsbereich.

Beim drahtlosen Laden induziert das von der Sendespule erzeugte Magnetfeld einen anderen Wechselstrom in einer anderen Induktionsspule innerhalb des tragbaren Geräts. Allgemein als Empfangs- oder Sekundärspule bekannt, wird der induzierte Wechselstrom dann unter Verwendung eines Gleichrichters in Gleichstrom umgewandeltlädt wiederum den Akku des Geräts auf oder versorgt das Gerät direkt mit Strom.

Es können eine oder mehrere Empfangsspulen oder Antennen vorhanden sein.

Alles schön und gut, aber diese Art von Aufbau hat tendenziell einen relativ kurzen Bereich. Um den Bereich zu erweitern, kann eine resonante induktive Kopplung oder Magnetresonanz verwendet werden. Dazu muss jeder Induktionsspule ein Kondensator hinzugefügt werdenTatsächlich zwei LC-Schaltkreise mit einer bestimmten Resonanzfrequenz.

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Die Menge des induzierten Stroms im Empfangsstrom kann durch Verwendung einer geeigneten Kapazität erhöht werden, um sicherzustellen, dass die Schleifen mit derselben Frequenz in Resonanz sind. Dadurch kann auch der Bereich des drahtlosen Ladens erheblich vergrößert werden.

Was sind einige der wichtigsten Meilensteine ​​auf dem Weg zur drahtlosen Stromversorgung?

Um einen Einblick in die lange Geschichte der drahtlosen Energieübertragung zu erhalten, werfen wir einen kurzen Blick auf einige der wichtigsten Meilensteine ​​in der Entwicklung des drahtlosen Ladens bis heute.

1. Nikola Tesla startet das ganze kabellose Laden

Quelle : Ein Tesla / Wikimedia

Ende des 19. Jahrhunderts visionärer Erfinder und Ingenieur Nikola Tesla erstmals demonstrierte Magnetresonanzkopplung. Falls Sie sich nicht bewusst sind, handelt es sich um die Übertragung von Elektrizität durch die Luft, indem ein Magnetfeld zwischen zwei getrennten Kreisen einem Sender und einem Empfänger erzeugt wird.

Er konnte dies demonstrieren, indem er in seinem Labor in Colorado Springs und später in einer Reihe öffentlicher Vorträge drahtlos phosphoreszierende und glühende Lampen anzündete. Tesla patentierte die Technologie unter dem Namen "Resonanztransformator" oder "Tesla-Spule".

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Dieses Gerät konnte sehr hohe Spannungen und Frequenzen erzeugen, und seine verbesserten späteren Designs ermöglichten es, die Technologie auf sehr sichere und zuverlässige Weise einzusetzen. Obwohl, wie wir gesehen haben, Induktive und kapazitive Kopplung sind "Nahfeldeffekte" und können nicht für die Fernübertragung verwendet werden. Tesla war jedoch überzeugt, dass er eine drahtlose Fernleistung entwickeln könnte.

1902 begann Tesla mit einem viel größeren Gerät zu experimentieren, um zu prüfen, ob seine Vision eines weltweiten drahtlosen Stromversorgungssystems möglich war. Er sah ein riesiges Netzwerk von Türmen voraus, die Städte drahtlos beleuchten, Kommunikation senden und vielleicht sogar Strom liefern konntenDinge wie Flugzeuge in der Luft.

Sein erster Prototyp, der Wardenclyffe Tower, war vielversprechend, aber letztendlich scheiterte das Unternehmen.

Trotzdem war dies eine bahnbrechende Arbeit, die ihrer Zeit weit voraus war.

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2. Die Erfindung des Radios hat dazu beigetragen, das Konzept weiter voranzutreiben.

Quelle : not_Aaron / Flickr

Obwohl es sich technisch gesehen nicht um eine Form der drahtlosen Energieübertragung handelt, arbeitet das Radio nach einem sehr ähnlichen Konzept. Es wurde von den deutschen Physikern Heinrich Hertz in den späten 1880er Jahren identifiziert und untersucht, ist aber heute so allgegenwärtig, dass wir kaum noch darüber nachdenken.

Radio sendet elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen zehn und hundert Hertz durch die Luft. Diese werden von elektronischen Geräten erzeugt, die als Sender bezeichnet werden und Radiowellen ausstrahlen, bis sie von einer anderen Antenne - dem Empfänger - empfangen werden.

Am Empfänger induzieren die Funkwellen einen kleinen Wechselstrom, der dann über einen Wandler in Schall umgewandelt wird. Dieser gesamte Prozess überträgt tatsächlich Energie über eine Entfernung, ohne dass Kabel erforderlich sind.

Nur in Bezug auf die Energieübertragung hat sich die Verwendung von Funkwellen noch nicht als fruchtbar erwiesen. Dies liegt an der relativ niedrigen Relativität von Funksignalen und der Tatsache, dass sie in alle Richtungen verteilt sind. Dies bedeutet, dass sehrEs kann tatsächlich wenig Energie auf einen einzelnen Empfänger übertragen werden - daher ist in den meisten Situationen ein Verstärker erforderlich.

Verwenden Sie jedoch ein Gerät namens a Rectenna oder Gleichrichtungsantenne. Dies ist eine Art Empfangsantenne, die zur Umwandlung elektromagnetischer Energie in Gleichstrom verwendet wird. Durch die Verwendung einer Rectenna könnten Funkwellen möglicherweise auch zur Übertragung von Elektrizität über größere Entfernungen verwendet werden.

Derzeitige Arbeiten auf diesem Gebiet können jedoch nur geringe Mengen an Leistung im Mikrowattmaßstab liefern. Sie sind zwar für kleine elektronische Geräte wie LEDs oder Siliziumchips nützlich, jedoch um eine Größenordnung niedriger als für Ihre Smartwatch oderTV. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die drahtlose Übertragung von Funkwellen derzeit ein sich schnell entwickelndes Gebiet ist.

3. Mikrowellen wurden bereits in den 1960er Jahren verwendet, um Strom drahtlos zu senden.

Browns mikrowellenbetriebener "Hubschrauber" -Gerät. Quelle : Researchgate

Für beste Ergebnisse wären für eine effiziente Energieübertragung Sender erforderlich, die hochfrequente Wellen wie Mikrowellen erzeugen. Um dies zu erreichen, müssen die Mikrowellen zur Übertragung in schmale Strahlen fokussiert werden.

In diesem Bereich wurden während des Zweiten Weltkriegs erste Schritte unternommen, als Geräte wie Klystron und Magnetronröhre sowie Parabolantennen entwickelt wurden.

Ein interessantes Beispiel wurde von gemacht William C. Brown in den 1960er Jahren. Er konnte die drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen mit einer Rectenna demonstrieren, die Mikrowellen effizient in Gleichstrom umwandeln konnte. 1964 gelang es ihm sogar, die Technik zu demonstrieren, indem er einen Modell- "Hubschrauber" mit Mikrowellen antrieb, die von dort gestrahlt wurdender Boden!

Brown würde die Technik als technischer Direktor von a weiter verfeinern. JPL -Raytheon-Programm bis zu seiner Pensionierung Mitte der 1980er Jahre. Ein Teil seiner Arbeit hier ermöglichte es seinem Team, 30 kW zu strahlen. Leistung über eine Entfernung von 1,6 km 1 Meile bei einem Wirkungsgrad von über 80%.

4. Die drahtlose Energieübertragung wurde in den 1960er Jahren in medizinischen Geräten verwendet.

Quelle : MED-EL

Eine der wichtigsten realen Anwendungen der drahtlosen Energieübertragung war die Verwendung der induktiven drahtlosen Energieübertragung in implantierbare medizinische Geräte in den 1960er Jahren. Frühe Iterationen dieser Geräte verwendeten nur eine Resonanzempfängerspule, während spätere auch Resonanzsenderspulen enthielten.

Solche Geräte wurden für einen hohen Wirkungsgrad entwickelt und verwenden eine Elektronik mit geringerer Leistung, ohne dass Drähte erforderlich sind. Heutzutage wird die Verwendung der resonanten induktiven Energieübertragung bei vielen im Handel erhältlichen implantierbaren medizinischen Geräten, wie z. Cochlea-Implantate.

5. Frühe Fortschritte beim drahtlosen Laden in Fahrzeugen wurden in den 1970er Jahren gemacht

Quelle : Impulsdynamik

In den 1970er Jahren wurden verschiedene Versuche unternommen, kabelloses Laden in Fahrzeugen bereitzustellen. Zum Beispiel Untersuchungen von Professor Don Otto an der Universität von Auckland im Jahr 1972.

Durch seine Forschung, Professor Otto vorgeschlagen, dass ein Fahrzeug mithilfe von Sendern, die in die Fahrbahnoberfläche eingebettet sind, induktiv aufgeladen werden kann. Empfänger am Fahrzeug könnten möglicherweise dann verwendet werden, um das Fahrzeug während der Fahrt anzutreiben.

Später, 1978, wurde die erste Anwendung des induktiven Ladens demonstriert durch JG Bolger und seine Kollegen . Sie haben es geschafft, ein Elektrofahrzeug zu produzieren, das induktiv mit einem System betrieben wird, das mit 180 Hz und 20 kW betrieben wird.

Am Ende des Jahrzehnts in Kalifornien a drahtlos geladener Bus wurde ebenfalls vorgestellt. Angetrieben durch induktives Laden wurden ähnliche Projekte zur gleichen Zeit auch in Frankreich und Deutschland ins Leben gerufen.

In jüngerer Zeit Unternehmen wie Momentum Dynamics haben in Norwegen gearbeitet zu drahtlosen Ladesystemen für Elektrofahrzeuge. Mithilfe einer Form der induktiven Ladetechnologie hoffen sie, Elektrofahrzeugen wie Bussen oder Taxis drahtloses Laden zu ermöglichen, damit sie ohne Ladestationen aufladen können.

Bei dieser Lösung werden Elektrofahrzeuge im Leerlauf ihre Batterien aufladen, beispielsweise wenn sie darauf warten, Passagiere abzuholen, anstatt während des Arbeitstages anhalten zu müssen, um sich wieder aufzuladen. Das Unternehmen arbeitet auch mit anderen in China zusammen, um eine ähnliche Lösung zu entwickeln.

6. Fernladung wurde 2007 demonstriert

2006 MIT-Professor Marin Soljačićm zeigte erstmals, dass Elektrizität über Entfernungen von mehr als 2 m 6,6 ft übertragen werden kann. Dies wurde durch die Verwendung einer hochresonanten Form der magnetischen Induktion erreicht.

Soljačićm demonstriert dass es möglich war, 60 W Leistung über eine Entfernung von 2 m zu einem ähnlichen Doppelresonanzempfänger zu übertragen. Nicht nur das, dies wurde mit einem erstaunlichen Wirkungsgrad von 40% erreicht.

7. Das Wireless Power Consortium wurde 2008 gegründet

Quelle : Aaron Yoo / Flickr

Im Jahr 2008 wurden als Reaktion auf die weit verbreitete Verbreitung von Mobiltelefonen, Tablets und anderen Geräten Fortschritte bei der Erforschung der drahtlosen Strom- und Ladetechnologie der Mittelklasse erzielt, um die Notwendigkeit des Anbindens und der Verwendung von Wandsteckern zu beseitigenzum Aufladen. Im Rahmen dieser Bemühungen wird die Wireless Power Consortium wurde geboren, um interoperable Standards innerhalb der Branche zu entwickeln.

Dies führte letztendlich zu dem Qi-Standard für induktive Leistung, der erstmals 2009 veröffentlicht wurde und das Hochenergie-Laden und die Stromversorgung von tragbaren Geräten mit einer Leistung von bis zu 5 Watt über Entfernungen von 4 cm ermöglicht.

8. Fokussierte EM-Strahlen könnten die Zukunft der drahtlosen Stromversorgung sein.

Künstlerische Darstellung des sps-ALPHA-Projekts der NASA. Quelle : SingularityHub / NASA

Eine interessante Möglichkeit zur Erforschung der drahtlosen Energieübertragung ist die Verwendung von EM-Strahlen als Hauptvehikel der Übertragung. Es wurde beispielsweise mit Mikrowellen experimentiert, um eine Punkt-zu-Punkt-Energieübertragung ohne Kabel zu ermöglichen.

Die NASA hat in den 1960er Jahren Forschungen durchgeführt, um die Möglichkeit der Energiegewinnung aus dem Weltraum zu untersuchen. unter Verwendung von Satelliten mit Sonnenkollektor und "strahlen" Sie die Energie zurück zur Erde. Die Arbeit wurde durchgeführt bei Jet Propulsion Lab der NASA wo die Forscher nach einigem Ausprobieren die Übertragung von 30 kW über 1,5 km mit 0,38 GH-Mikrowellen mit einem Wirkungsgrad von 80% demonstrierten.

Weitere Arbeiten an einem ähnlichen Konzept genannt SPS-ALPHA wurde später von der NASA Anfang der 2010er Jahre entwickelt.

In jüngerer Zeit konzentrierten sich die Arbeiten in diesem Bereich auf die Fernantrieb von Drohnen. In den späten 1980er Jahren beispielsweise Kanadas Kommunikationsforschungszentrum konnte einen kleinen Prototyp eines Flugzeugs namens Stationary High Altitude Relay Platform SHARP entwickeln.

Dieses Flugzeug wurde mit Mikrowellen und einer Rectenna angetrieben und konnte 21 km in der Luft fliegen und monatelang in der Luft bleiben, ohne dass eine Aufladung erforderlich war. Ein ähnliches, fortschrittlicheres Fahrzeug wurde auch an der Universität Kyoto in entwickeltAnfang der neunziger Jahre genannt Mikrowellen-Flugzeug-Experiment MILAX .

Anfang der 2000er Jahre NASA konnte sich entwickeln das weltweit erste laserbetriebene Flugzeug. Es wurde ein kleiner Prototyp entwickelt, der mit Elektrizität betrieben wurde, die von Fotozellen erzeugt wurde, die Strom von einem bodengestützten IR-Laser erzeugten.

9. Verschiedene Unternehmen arbeiten derzeit an der drahtlosen Stromversorgung Ihres Hauses.

Quelle : Wi-Charge

In den letzten Jahren hat der Privatsektor zunehmend Maßnahmen ergriffen, um die drahtlose Energieübertragung in den Mainstream zu bringen. Verschiedene Unternehmen wie Wi-Charge, Energous und Ossia entwickeln derzeit Methoden zur drahtlosen Stromversorgung von GerätenInfrarot- und HF-Technologie auf sichere und zuverlässige Weise.

Wi-Charge's Die Lösung verwendet fokussierte IR-Lichtstrahlen, die auf einen Empfänger eines aktivierten Geräts gerichtet sind und den Strahl in nützliche Elektrizität umwandeln. energisch entwickelt andererseits Radiowellen, um das Laden vieler aktivierter Geräte in einem Radius von 15 Metern zu ermöglichen.

Ossia entwickelt ein Mittel zur drahtlosen Energieübertragung, das speziell auf den Automobilmarkt ausgerichtet ist. Sie hoffen, in Zukunft ein Mittel zum drahtlosen Laden kompatibler Geräte im Auto bereitzustellen.

Diese Lösungen könnten Ladekabel möglicherweise der Vergangenheit angehören - etwas, das an Orten sehr praktisch ist, an denen elektrische Kabel potenziell gefährlich oder unpraktisch sind, wie z. B. in Badezimmern.

10. Die drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen könnte buchstäblich knapp über dem Horizont liegen.

Quelle : Emrodieren

Für die drahtlose Energieübertragung zur Konkurrenz mit herkömmlicher kabelgebundener Energie ist ein Mittel zur Übertragung über große Entfernungen erforderlich. Hier könnten Unternehmen wie der in Neuseeland ansässige Emrod die Art und Weise der Stromübertragung auf der ganzen Welt bald revolutionieren.

Sie entwickeln in Zusammenarbeit mit Powerco Neuseelands zweitgrößtem Stromverteiler ein Mittel zur sicheren und drahtlosen Energieverteilung. Emrodieren hat kürzlich vielversprechende Ergebnisse mit ihren aktuellen Prototypen gemeldet, wobei große Mengen an Energie effizient zwischen zwei Punkten übertragen werden.

Ihre Lösung verwendet eine Reihe von Antennen, Relais und Empfangsrektenna, um Mikrowellenenergie in Elektrizität umzuwandeln. Diese Mikrowellen liegen im nichtionisierenden industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Bereich des Funkspektrums, das Frequenzen umfasst, die üblicherweise in Wi-Fi verwendet werdenund Bluetooth-Kommunikation.

11. Die Zukunft muss schneller und über eine größere Distanz sein

Die jüngsten Entwicklungen bei der drahtlosen Energieübertragung sind beeindruckend, aber nur der Anfang. Es ist jedoch wichtig darauf hinzuweisen, dass die meisten Experten betonen, dass aktuelle Lösungen nicht vollständig drahtlos sind, da die Sender selbst an das angeschlossen werden müssenHauptgerichte in gewisser Weise.

Nicht nur das, sondern auch die Akzeptanz bei den Verbrauchern ist derzeit etwas begrenzt. Wenn Benutzer anfangen, ihm zu vertrauen und sich darauf einzulassen en masse, Die Nachfrage nach Flexibilität und Robustheit wird sich wahrscheinlich erheblich verbessern.

Dieser Marktdruck wird die Hersteller dazu zwingen, robustere, zuverlässigere und drahtlosere Ladelösungen mit größerer Reichweite zu entwickeln. Derzeit haben Verbraucher für Haushaltsanwendungen die Wahl zwischen kurzreichweitigem, aber schnellem Laden ähnlich einem Kabel oder längerem Laden.Reichweite durch Erhaltungsladung.

Die Arbeit an der drahtlosen Stromverteilung über große Entfernungen ist möglicherweise sehr vielversprechend, aber zumindest vorerst keine praktikable Alternative zu herkömmlichen Kupferdrähten.

In den kommenden Jahren und Jahrzehnten gehören jedoch möglicherweise einige der häufigsten Verwendungszwecke für Kabel in Ihrem Haus der Vergangenheit an, und dies gilt möglicherweise auch für Ihr EV-Auto. größere Verteilung Strom aus Kraftwerken oder aus dem Weltraum wird wahrscheinlich noch eine ganze Weile nicht möglich sein.

Sobald zuverlässige und sichere Lösungen sowohl für die großflächige Verteilung über große Entfernungen für Energieversorger und Unternehmen als auch für Lösungen mit kurzer bis mittlerer Reichweite für Verbraucher gelöst werden können und der Vorteil beider Lösungen kombiniert werden kann, wäre das drahtlose Laden erst dann wirklich möglichvolljährig werden.

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