無線能量傳輸技術(shù)調(diào)研報(bào)告

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1、無線能量傳輸技術(shù)調(diào)研報(bào)告內(nèi)容提要1、無線能量傳輸技術(shù)理論簡介2、無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)3、無線能量傳輸中所存在的問題4、總結(jié)和展望無線能量傳輸技術(shù)理論無線能量傳輸技術(shù)（WPT），顧名思義，即以非接觸的無線方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸。無線能量傳輸技術(shù)不同于人們?nèi)粘Ｋ吹降臒o線信號傳輸技術(shù)（無線電等），后者主要關(guān)注的是能否成功復(fù)原信號的信噪比這個(gè)參數(shù)，而前者則更著重于傳輸能量的功率效率參數(shù)。無線能量傳輸技術(shù)理論電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場可分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分，其中一部分電磁場能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來回流動(dòng)，不向外發(fā)射

2、，稱為感應(yīng)場；另一部分電磁場能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場。電磁輻射場根據(jù)感應(yīng)場和輻射場的不同而區(qū)分為近區(qū)場（感應(yīng)場）和遠(yuǎn)區(qū)場（輻射場）。一般而言，以場源為中心，在三個(gè)波長范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場，也可稱為感應(yīng)場；在以場源為中心，半徑為三個(gè)波長之外的空間范圍稱為遠(yuǎn)區(qū)場，也可稱為輻射場。無線能量傳輸技術(shù)理論近區(qū)場通常具有如下特點(diǎn)：1、近區(qū)場內(nèi)，電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的大小沒有確定的比例關(guān)系。一般情況下，對于電壓高電流小的場源(如發(fā)射天線、饋線等)，電場要比磁場強(qiáng)得多，對于電壓低電流大的場源(如某些感應(yīng)加熱設(shè)備的模具)，磁場要

3、比電場大得多。2、近區(qū)場的電磁場強(qiáng)度比遠(yuǎn)區(qū)場大得多。3、近區(qū)場的電磁場強(qiáng)度隨距離的變化比較快，在此空間內(nèi)的不均勻度較大。在近場區(qū)一般采用諧振耦合或者電磁感應(yīng)的模式進(jìn)行無線能量傳輸。無線能量傳輸技術(shù)理論磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖LC諧振電路該模式下的運(yùn)動(dòng)方程為：1）諧振耦合無線能量傳輸無線能量傳輸技術(shù)理論負(fù)載從接收器吸收的有用功率：系統(tǒng)的輻射功率：發(fā)射器吸收的功率：接收器吸收的功率：外部干擾物體e吸收的功率：系統(tǒng)的總功率：外部存在物體干擾時(shí)的耦合強(qiáng)度：無線能量傳輸技術(shù)理論2）感應(yīng)耦合無線能量傳輸感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)電路簡圖電路的阻抗傳

4、遞公式矩陣表示為：無線能量傳輸技術(shù)理論遠(yuǎn)區(qū)場的主要特點(diǎn)如下：1、在遠(yuǎn)區(qū)場中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播，這種場輻射強(qiáng)度的衰減要比感應(yīng)場慢得多。2、在遠(yuǎn)區(qū)場，電場與磁場的運(yùn)行方向互相垂直，并都垂直于電磁波的傳播方向。3、遠(yuǎn)區(qū)場為弱場，其電磁場強(qiáng)度均較小在遠(yuǎn)場區(qū)中，主要有兩種無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)：微波能量傳輸技術(shù)與激光能量傳輸技術(shù)。無線能量傳輸技術(shù)理論無線能量傳輸?shù)奶匦宰鳛橐环N點(diǎn)對點(diǎn)的能量傳輸方式．WPT具有以下特點(diǎn)：l、能量源和耗能點(diǎn)之間的能量傳輸系統(tǒng)是無質(zhì)量的2、以光速傳輸能量3、能量傳輸方向可迅速變換4、在真空中傳遞能量無損耗

5、5、波長較長時(shí)在大氣中能量傳遞損耗很小6、能量傳輸不受地球引力差的影響7、工作在微波波段．換能器可以很輕這些特點(diǎn)絕大部分都是非常明顯的．但是最后一個(gè)在空間應(yīng)用中特別重要。在太空中，唯一的主要能源的是太陽能。所有其它的能源，如燃料電池，電池組，核能，甚至可以吸收太陽能的天線陣列都必須克服重力才能傳輸?shù)教罩?。但是微波供能方式將主要的功率源置于地面．在太空中只留有占系統(tǒng)質(zhì)量很小部分的濾波和整流設(shè)備．從而避免了這個(gè)缺點(diǎn)。無線能量傳輸技術(shù)理論香港專業(yè)教育學(xué)院的研究人員對電磁感應(yīng)、無線電傳輸、諧振耦合三種無線能量傳輸方式進(jìn)行了比較，得到的比較表格如下所

6、示。電磁感應(yīng)無線電諧振耦合輸出能量幾瓦至幾百千瓦幾十毫瓦最大幾千瓦有效距離≤1cm幾米范圍幾米范圍控制水平實(shí)現(xiàn)和控制都很簡單實(shí)現(xiàn)困難控制簡單實(shí)現(xiàn)和控制都很困難安全系數(shù)取決于環(huán)境條件和技術(shù)手段便利性可接受水平最為便利一般水平無線能量傳輸理論雖然這些能量傳輸方式都可以實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，但是他們也都有其不可克服的缺點(diǎn)。例如：電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好，在其范圍內(nèi)的金屬都會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量，另外還會(huì)使設(shè)備的線路感應(yīng)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備；無線電方式問題主要在于其在能量傳輸過程中能量損耗太大，傳輸效率太低；諧振耦合方式安全實(shí)現(xiàn)問題比較嚴(yán)重，要想

7、更好的實(shí)現(xiàn)諧振耦合，需要傳輸頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間，而這一段頻率又是產(chǎn)生諧振最困難的波段。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)諧振磁耦合無線能量傳輸技術(shù)MIT無線傳能實(shí)驗(yàn)中發(fā)射諧振器和接收諧振器是半徑為3mm的銅線纏繞5.25圈、線圈半徑300mm、高度200mm，具備分布式電感和電容特性的線圈型諧振器，實(shí)驗(yàn)測得其諧振頻率為9.90MHz。在諧振器距離2m傳輸時(shí)傳輸效率約為40％，距離為1m時(shí)傳輸效率可高達(dá)90％。2008年8月，Intel西雅圖實(shí)驗(yàn)室的JoshuaR.Smith研究小組基于磁諧振耦合無線能量傳輸技術(shù)開發(fā)出可為小型電器充電的無線傳能裝置能

8、夠?qū)崿F(xiàn)在1m距離內(nèi)給60W燈泡提供電能，效率可達(dá)75%。無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)美國匹茲堡大學(xué)孫民貴教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組對體內(nèi)植入電子器件的無線傳能進(jìn)行了深入研究，他們采