無線能量傳輸

1、無線能量傳輸,組員：劉興業(yè) 師威浩 彭 濤 李 超 任 想,Energy Wireless Transfer,目錄,無線能量傳輸背景/論文整合 師威浩,無線能量傳輸原理/ppt整合 劉興業(yè),無線能量傳輸原理 任 想,無線能量傳輸前景

2、彭 濤,無線能量傳輸問題整合 李 超,無線能量傳輸背景,主講人：師威浩,電線充斥在我們的生活當(dāng)中，錯(cuò)綜復(fù)雜的連接方式 給我們帶來很大的不便。,無線電力傳輸背景,,,長(zhǎng)距離的輸電線路占用了大量的空間，金屬。能否省去？？,早在了19世紀(jì)30年代邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)變化后將在電線周圍產(chǎn)生電流，這就為無線傳輸電能提供了理論可能！,1913年，既是航海家又是網(wǎng)球選手的法國(guó)人羅蘭-加洛斯

3、就提出能否從地面為空中飛行器提供動(dòng)力。,這是人們當(dāng)時(shí)美好的遐想，試圖擺脫電線的思考。,2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員在無線傳輸電力方面取得了新進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔地”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡 。,2008年在Intern公司技術(shù)峰會(huì)上，研究人員聲稱此項(xiàng)技術(shù)可以運(yùn)用到筆記本電腦上，借此擺脫了電線的束縛！,如果這項(xiàng)技術(shù)得以應(yīng)用，我們的生活將會(huì)發(fā)生巨大的變化：我們不再需要電線、插座，手機(jī)充電比打開藍(lán)牙還要簡(jiǎn)單，只

4、要你處于一定得區(qū)域內(nèi)，手機(jī)就一直可以被充電；同樣筆記本電腦也不用擔(dān)心電池沒電了。,甚至，可能沒有電網(wǎng)這個(gè)概念，我們不需要電線了。這極大的鼓舞著人們?nèi)ミM(jìn)行研究無線傳輸能量的具體方法。,無線能量傳輸原理,主講人：劉興業(yè) 任想,電磁能量在空間的傳播,電磁波的產(chǎn)生,在空間的傳播性質(zhì),空間傳播規(guī)律,電磁波所載能量,電磁波的產(chǎn)生,電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)同樣可以產(chǎn)生電場(chǎng)，這就形成的電磁場(chǎng)。 變化的電、磁場(chǎng)間存在耦合，以波的

5、形式存在于空間，這就是電磁波。電磁波雖然看不見，摸不著，但是他無時(shí)無刻不存在于我們的周圍，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波。,空間的傳播,電磁波的傳播過程就是能量傳播的過程,高頻時(shí)電磁波可以在自由空間內(nèi)傳遞,空間傳播規(guī)律,假設(shè)自由空間為無緣空間 ，媒質(zhì)是各向同性、線性和均勻?？梢缘玫诫姶挪▌?dòng)方程,,環(huán)境在無限大的均勻理想介質(zhì)中，電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間做正弦變化,1、相速等于波速；2、場(chǎng)量的幅值與x、f無關(guān)。,能量流動(dòng)問

6、題與分析,電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電場(chǎng)中，磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)為電、磁場(chǎng)的耦合，既有電場(chǎng)能量又有磁場(chǎng)能量。,能量流動(dòng)問題與分析,坡印亭定理,坡印亭定理給出了電磁能流和電磁場(chǎng)量之間的一般關(guān)系，反映了電磁能量符合自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。,,電磁能流密度,S=E*H,它表示在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于能量傳播方向的單位面積的電磁能量。,,電磁能量的發(fā)射與接收,,無限能量傳輸?shù)闹袠薪Y(jié)構(gòu)：,天線,天線是一種專門的電磁波輻射器。,天線

7、的發(fā)射參數(shù),天線的輻射功率 輻射功率：在遠(yuǎn)區(qū)單位時(shí)間內(nèi)通過球面的電磁能量的平均值。,,在遠(yuǎn)區(qū)單位時(shí)間內(nèi)通過球面的電磁能量的平均值稱為天線的輻射功率。在球面，單位面積上通過的功率密度就是坡印亭矢量S，則,,∴經(jīng)過面積dS的功率 將 代入得 以單元偶極子天線為例，有,其中 為流經(jīng)的電流， 為單元偶極子的長(zhǎng)度,所以，可得輻射功率：,,天線輻射

8、電阻 將輻射功率視為一個(gè)電阻吸收的功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流的有效值，則稱這個(gè)電阻為天線的輻射電阻。 可得單元偶極子的輻射電阻：,表征了天線輻射電磁能量的能力，其值越大，輻射能力越強(qiáng)。,,天線的方向性函數(shù),對(duì)于任何天線，在空間的電場(chǎng)公式均可寫成,表示天線方向性的相位特性。,表示天線方向性的振幅特性,稱為天線的方向性函數(shù)，表達(dá)了天線的方向性特性。其不僅決定了場(chǎng)的大小也決定了場(chǎng)的相位。,,天

9、線的方向性函數(shù)D 天線的方向性系數(shù)D用來表示天線集中輻射能量的特性。,其物理意義為：天線的方向性使某方向的輻射功率密度比之均勻輻射時(shí)的倍數(shù)。,,對(duì)于天線方向性的求解 為求方向性，我們可以將研究的天線與理想的，輻射功率相等的點(diǎn)源做比較。,對(duì)點(diǎn)源來說，其沒有方向性，即,,通過無窮小單位面的功率為所以輻射功率為 為天線所在媒質(zhì)的特性阻抗。所以可得 在方向

10、 ，,,∴可得 所以在最大輻射方向上有,天線的接收,接收：天線導(dǎo)體在空間電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在導(dǎo)體表面激勵(lì)起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓并在接收機(jī)回路中產(chǎn)生電流。其過程是發(fā)射天線的逆過程。,有效接收面積,有效接收面積是衡量接收天線接收無線電波能力的重要指標(biāo)。,接收天線在最佳狀態(tài)下所接收的功率可以看成是被具有面積為 有效接受面積 的口面所截獲的垂直入射波功率密度的總和,無線能量傳輸問題整合,主講人：李超

11、,電磁波輸電遇到的困難,電磁波的衰減電磁波反射 接收天線的面積電磁污染,電磁波的衰減,從接收面積考慮,我們可以看到能量以1/r^2衰減.,,0,接收天線的面積,接收天線的面積需要很大,電磁波的衰減,在介質(zhì)中的衰減,電磁波的衰減,低損耗介質(zhì),代入數(shù)值后的衰減曲線,電磁波有反射,對(duì)理想導(dǎo)體的入射,（全反射）,所以電磁波在輸電的空間中有障礙物嚴(yán)重影響其輸電效率，尤其是具有導(dǎo)電性的障礙物基本是可以完全反射電磁波，導(dǎo)致接收端接收不到能量。,

12、電磁污染,電磁波污染已成為環(huán)境污染要素之一，并危及人體健康，從而成為繼廢氣、廢水、廢渣和噪聲之后的人類環(huán)境的又一大公害。 人們長(zhǎng)期在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，可出現(xiàn)頭痛、頭暈、疲乏、睡眠不佳，食欲不振，血液、心血管系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常等。有關(guān)資料表明：電磁波輻射，長(zhǎng)期作用，會(huì)使女性的內(nèi)分泌和生殖機(jī)能產(chǎn)生不良影響，危害生殖細(xì)胞和早期胚胎發(fā)育，對(duì)懷孕頭3個(gè)月胎兒所造成的危害程度比妊娠中晚期要大的多。,從波的頻率考慮,最佳選擇：微波原因: 微波是波長(zhǎng)介

13、于無線電波和紅外線輻射之間的電磁波，目前廣泛應(yīng)用于微波爐、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航和移動(dòng)通信。它不同于無線電中波和短波，能順利通過電離層而不反射。宇宙空間對(duì)微波傳輸十分理想，幾乎沒有能量損耗，通過大氣層時(shí)的損耗約為2％。微波輸電使電力送供用的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，電價(jià)也必然大幅度下降。它能改變因能源資源不均衡而造成的電力輸送不經(jīng)濟(jì)、不合理的狀況，應(yīng)用前景十分廣闊。 微波輸電時(shí)，地面接收天線面積很大，其功率密度低于安全標(biāo)準(zhǔn)值。選用2．45千兆赫的微波時(shí)，

14、對(duì)環(huán)境和生態(tài)影響不大。但對(duì)通信和雷達(dá)、射電天文干擾很大。,從接受面積考慮,播的傳播要有很強(qiáng)的方向性，這樣來避免波的能量損失,從防護(hù)措施來考慮,微波傳送站等，盡量設(shè)在遠(yuǎn)離居住區(qū)的遠(yuǎn)郊區(qū)縣及地勢(shì)高的地區(qū) 傳輸站等應(yīng)與居住區(qū)間設(shè)置安全防護(hù)距離，保證其邊界符合環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)，對(duì)電磁波輻射源需選用能屏蔽、反射或吸收電磁波的銅、鋁、鋼板、金屬絲、高分子膜等材料制成的屏蔽物品，建立電磁屏蔽措施，將電磁輻射能量限制在規(guī)定的空間之內(nèi)。

15、,從防護(hù)措施來考慮,每天可服用一定量的維生素C，或者多吃些富含維生素C的蔬菜 在城市內(nèi)高層建筑上的通訊基站天線，如果發(fā)射功率適當(dāng)，架設(shè)高度、主射方向合理,無線能量傳輸前景,主講人：彭濤,無線能量傳輸前景,一、微波輸電早在1968年，針對(duì)人類社會(huì)面臨的能源危機(jī)，彼得·格拉澤(Peter Glaser)提出了衛(wèi)星太陽能電站(SatelIite Solar Power Station，簡(jiǎn)稱SSPS)的設(shè)想。該電站用龐大的太陽能

16、電池陣在太空中將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，設(shè)計(jì)容量為1 000萬千瓦。但是如何將這一強(qiáng)大的電能送到地球表面即成了一個(gè)大的問題。經(jīng)專家們反復(fù)論證，目前提出的最為可行方案就是采用“無線輸電”的方式，即通過微波將這一強(qiáng)大的電能帶回地球。微波輸能是社會(huì)發(fā)展對(duì)微波技術(shù)提出的新課題。,,微波輸能系統(tǒng)主要由三部分組成：1．將包括來自太陽能、風(fēng)能、海洋能、核能等的電能轉(zhuǎn)換成能在自由空間傳播的微波；2．微波的定向發(fā)射和傳輸；3．將接收到的微波功率直接由整

17、流天線(rectenna)變換為直流電能。,,表2給出了輸送電壓、容量、距離及造價(jià)的大致關(guān)系。隨著原材料價(jià)格的上升，實(shí)際造價(jià)會(huì)更高。如果采用微波無線輸電，工業(yè)用電或發(fā)電廠出來的電能稍加變換后可用來產(chǎn)生微波；電力在空氣中的傳輸幾乎不需要任何投資；接收端整流后即為低壓直流，不需要復(fù)雜的變電設(shè)備。,,空對(duì)地、地對(duì)空、空對(duì)空、地對(duì)地四種電磁波輸能方式則要求大功率高效率不污染環(huán)境的輸電。從目前的發(fā)展水平與趨勢(shì)來看，微波輸能必將是下個(gè)世紀(jì)的主要輸

18、能方式。國(guó)外成立了國(guó)際空間大學(xué)，其主要科學(xué)活動(dòng)是研究如何利用空間太陽能。我國(guó)1990年發(fā)電量達(dá)138 000兆瓦，2000年計(jì)劃達(dá)到182 000兆瓦(核能占3 )。國(guó)外1991年曾提議從月球上的電站向地球送2O 000 000兆瓦的電能?？梢姡⒉ㄝ斈茉谙聜€(gè)世紀(jì)將扮演重要角色。,返回,,二、無線電力傳輸，未來告別電線 無線電力系統(tǒng)研發(fā)成功，那它將可為手提電腦、移動(dòng)電話以及其他設(shè)備進(jìn)行無線充電。一旦實(shí)現(xiàn)這種無線電力傳輸， 就意味著一些

19、小裝置可以永久地?cái)[脫電池的束縛， 從而杜絕因廢棄電池帶來的環(huán)境污染。,對(duì)于今后無線電力傳輸?shù)膽?yīng)用，電磁諧振具有無可比擬的優(yōu)勢(shì) 方便性：徹底擺脫電池、充電器、插座、電源線 安全性：與生物體相互作用很小，不太可能產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用,返回,三、醫(yī)療診治,,1、體內(nèi)診療裝置的無線能量傳輸方案 體內(nèi)的診療裝置主要是用于體內(nèi)疾病的診斷與治療。例如，膠囊內(nèi)窺鏡就是主要用于小腸內(nèi)疾病的觀察。 傳統(tǒng)采用采用微型電池供能

20、多方面局限性 ：體積大、漏電、毒性研究所設(shè)計(jì)的無線能量傳輸裝置就是分別在體內(nèi)和體外設(shè)置發(fā)射線圈和感應(yīng)線圈 ，如圖示,2、基于電磁感應(yīng)的消化道內(nèi)微系統(tǒng)無線能量傳輸 物質(zhì)生活水平的提高醫(yī)療準(zhǔn)確可靠、減少病痛隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，體內(nèi)診療系統(tǒng)的功能不斷增強(qiáng)，從有線走向無線，從被動(dòng)走向主動(dòng)，傳統(tǒng)的采用電池供能已不能滿足大功耗微系統(tǒng)的要求。能量傳輸問題成為制約MEMS在體內(nèi)診療領(lǐng)域應(yīng)用的“瓶頸”。,總結(jié),無線傳輸能量從技術(shù)難易程度上主

21、要可以分為三大類： 大功率輸送能量 中功率輸送能量 小功率輸送能量,大功率輸能,大功率輸能目前面臨很大的問題，能量在傳輸中的損耗，對(duì)環(huán)境的污染。這都是亟待解決的問題，也是目前技術(shù)瓶頸所在，需要在座的各位去解決！,中型功率輸送能量,中型功率無線傳輸能量是最有可能在生活中商業(yè)化應(yīng)用的，因?yàn)槲覀內(nèi)粘Ｋ秒娖鞴β驶旧蠈儆谶@一

22、范疇，而且沒有大功率傳輸所有的長(zhǎng)距離造成的衰減嚴(yán)重這樣的問題。目前所要研究的就是如何讓無線傳輸能量裝置小型化，高效化，清潔化（無電磁污染）。這些問題的解決與否決定著此項(xiàng)技術(shù)能否最終得到廣泛應(yīng)用。我們相信中型功率無線傳輸裝置會(huì)像電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展一樣，由開始的規(guī)模巨大到現(xiàn)在的微型化。,小功率能量傳輸,小功率能量傳輸主要用于生物、醫(yī)療方面。需要把無線能量傳輸裝置微型化，生物體不能容忍太大的異物。這需要在傳輸能量時(shí)極好的方向性，可以保證在線圈很