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无线能量传输技术

调研报告内容提要1、无线能量传输技术理论简介2、无线能量传输技术实现3、无线能量传输中所存在的问题4、总结和展望无线能量传输技术理论无线能量传输技术（WPT），顾名思义，即以非接触的无线方式实现电源与用电设备之间的能量传输。无线能量传输技术不同于人们日常所看到的无线信号传输技术（无线电等），后者主要关注的是能否成功复原信号的信噪比这个参数，而前者则更着重于传输能量的功率效率参数。电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发射，称为感应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射，称为辐射场。电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为近区场（感应场）和远区场（辐射场）。一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。12无线能量传输技术理论01020304近区场通常具有如下特点：近区场的电磁场强度比远区场大得多。近区场内，电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。一般情况下，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多，对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具)，磁场要比电场大得多。近区场的电磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的不均匀度较大。05在近场区一般采用谐振耦合或者电磁感应的模式进行无线能量传输。无线能量传输技术理论无线能量传输技术理论磁谐振耦合无线电能传输系统示意图LC谐振电路该模式下的运动方程为：1）谐振耦合无线能量传输负载从接收器吸收的有用功率：01系统的辐射功率：02发射器吸收的功率：03接收器吸收的功率：04外部干扰物体e吸收的功率：05系统的总功率：06外部存在物体干扰时的耦合强度：07无线能量传输技术理论无线能量传输技术理论2）感应耦合无线能量传输感应耦合无线电能传输系统电路简图电路的阻抗传递公式矩阵表示为：远区场的主要特点如下：01在远区场中，所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。02在远区场，电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电磁波的传播方向。03远区场为弱场，其电磁场强度均较小04在远场区中，主要有两种无线能量传输的技术：微波能量传输技术与激光能量传输技术。05无线能量传输技术理论无线能量传输技术理论无线能量传输的特性作为一种点对点的能量传输方式．WPT具有以下特点：l、能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的2、以光速传输能量3、能量传输方向可迅速变换4、在真空中传递能量无损耗5、波长较长时在大气中能量传递损耗很小6、能量传输不受地球引力差的影响7、工作在微波波段．换能器可以很轻这些特点绝大部分都是非常明显的．但是最后一个在空间应用中特别重要。在太空中，唯一的主要能源的是太阳能。所有其它的能源，如燃料电池，电池组，核能，甚至可以吸收太阳能的天线阵列都必须克服重力才能传输到太空中。但是微波供能方式将主要的功率源置于地面．在太空中只留有占系统质量很小部分的滤波和整流设备．从而避免了这个缺点。无线能量传输技术理论香港专业教育学院的研究人员对电磁感应、无线电传输、谐振耦合三种无线能量传输方式进行了比较，得到的比较表格如下所示。电磁感应无线电谐振耦合输出能量几瓦至几百千瓦几十毫瓦最大几千瓦有效距离≤1cm几米范围几米范围控制水平实现和控制都很简单实现困难控制简单实现和控制都很困难安全系数取决于环境条件和技术手段便利性可接受水平最为便利一般水平无线能量传输理论虽然这些能量传输方式都可以实现能量的无线传输，但是他们也都有其不可克服的缺点。例如：电磁感应方式传输控制不好，在其范围内的金属都会产生电磁感应消耗电源能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备；无线电方式问题主要在于其在能量传输过程中能量损耗太大，传输效率太低；谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。无线能量传输技术实现谐振磁耦合无线能量传输技术MIT无线传能实验中发射谐振器和接收谐振器是半径为3mm的铜线缠绕5.25圈、线圈半径300mm、高度200mm，具备分布式电感和电容特性的线圈型谐振器，实验测得其谐振频率为9.90MHz。在谐振器距离2m传输时传输效率约为40％，距