电子信息新技术系列讲座报告 (20)

电子信息新技术系列讲座报告 班级 学号 姓名 2014年12月 无线电能传输技术及其应用 摘要:无线电能传输技术是一种新的、非传统的输电技术,可以克服有线电能传输方式的诸多弊端,具有很多优良特性。本文给出了无线电能传输技术的定义,对其应用现状做了简单介绍,详细阐述了电磁感应方式、电磁波共振方式、微波方式、激光方式等目前实现无线电能传输的几种主要方式的原理、特点、难点、应用领域、国内外研究现状,提出了无线电能传输技术实际应用中有待解决的难题,并展望了无线电能传输技术的未来趋势。 1.引言 电能无线传输一直是人类的梦想,许多国内外科学家对此进行不断的研究。然而迄今为止,大部分的无线传输都还只是基于松散耦合的非接触电磁感应型及电波收发型。关于这两者已有一定的研究基础[1-4],并在日常生活得到应用,如电动牙刷、家用无绳电话等。虽然松散耦合非接触电能无线传输效率高达80%,但其传输距离仅限在1cm内;而电波收发型传输距离可达10m,但传输功率只在1mw~100mw范围内,且无线电波向四周散射,效率极低。由此可见,由于传输效率和距离不可兼得的矛盾,上述两种无线传输方法的应用范围还不是很广泛,而且在安全方面也存在效率低导致发热量大的问题[5-7]。自1968年以来,格拉泽美国学者提出卫星太阳能发电,将太阳能转化为电能,通过电磁波接收装置,无线电力传输技术一直研究和能源系统中的一个热点。电源,在需要隔离设备等,高电压测量是不容易使用的金属电源线,同时考虑到天气的影响,和其他地区,太阳能电池的方法是不适用的。的情况下,使用无线电力传输是一个很好的solution.d'另一方面,近年来随着科学的发展和技术,电子设备越来越多的同时,方便了我们的生活,成为问题的子孙你的电源和数据也很多,我们需要寻找新的方法避免了能量转移的许多复杂的电源线等。因此,无线电力传输的传输模式作为一种新能源是提请注意的结果研究了在这个非常重要的文件,资料(中国)研究中心资助。应用和发展前景,对人们的生活方式和能源供应的后果。 自从1968年美国学者Glaser提出了太阳能卫星的概念,利用电磁波接收装置将太阳能转换成电能以来,无线电能传输技术一直是能量研究领域的一个热点。在电力系统中,考虑到绝缘等方面的需要,某些对高压进行测量的设备不便于使用金属导线进行供电。同时,考虑到天气、区域等方面的影响,太阳能加蓄电池的方式并不能完全适用。在这种情况下,采用无线方式传输电能是一个很好的解决办法。另一方面随着近些年来科技的不断发展,越来越多的电子设备为我们的生活带来便捷的同时,也受到众多电源线和数据线的困扰,这就迫使我们寻找一种新的能量传输方式来避免众多复杂的电源线等。因此无线电能传输作为一种新的能量传输方式正逐渐受到人们的重视,它有十分重要的本文研究成果获英特尔(中国)研究中心资助。应用价值及开发前景,对能量的供应方式和人们的生活产生难以估量的影响。 2.无线电能传输技术 无线电能传输(Wireless Power Transmission)就是利用一种特殊设备将电能以无线形式进行传输,从而可以在无需电缆线的情况下直接传输电能。早在1890年,著名的物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就提出了无线电能传输这一理论并且做了无线输电的试验。但是在相当长的时期内由于存在有关技术方面的瓶颈问题,以及缺乏客观需求,无线能量传输方面的很多研究都没有突破性进展。无线电能传输技术的发展是在上个世纪六、七十年代, 随着能源问题的突出、小型无线设备的大量出现以及电力电子技术的发展使人们对这一课题又产生了兴趣。无线电能传输技术的研究目前主要集中在太阳能空间基站、地面远距离大功率输电、E行器及卫星无线电力供应、便携式移动设备供电,生物医学领域、可移植的小型设备充电等领域。到目前为止,国际上在这方面的研究取得了一些研究成果,但总体上尚处于探索研究阶段.来能实现商业化。国内在该领域的研究总体上尚处于起步阶段.与国外相比存在较大的差距且研究主要集中在感应方式的无线电能传输方面。国内一些重点院校和科研帆杜J己经投入到这一颈域的研究工作中。 3几种无线电能传输方式及其发展趋势 从目前国内外公开发的文献来看实现无线电能传输方式主要有咀下几种电磁感应方式.磁共振方式.微波方式,激光方式等。下文将详细介绍这几种无线电能传输方式的原理、特点、优势、难点及当前国内外发展研究的情况。 3.1电磁感应方式 电融感应方式就是利用变压器碌理.通过韧、扶级线圈的感应米实现电能的传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有三大部分组成,即能量发送瑞、无接触变压器、能量接收端。交流电能由能量发送端经过整流、逆变产生高频交流电,井通过分离功率变压器输送到能量接收器。接收端将接收的自E量再通过整流或逆变得到直流或交流电能。采用这种能量传送方式的特点有: (I)能量接收端与次级线圈楣进.具有可灵活移动的特点。 (2)原理简单,易于实现,可用于对距离要求不高但又不需要机械和电气连接的场台。但是这种电能传输方式由于初、次级变压器之问有气隙存在,耦台系数较小能量传输能力和效率叠低,因此提高胡、次级之司的耦台系数增加可分离变压器之间的能量传输和效率是系统设计的难点和突破点。目前,这种技术已经在部分领域中得到应用,包括电动剃须刀、电动牙刷、净水器和无绳电话等。 3.2电磁波(共振原理)方式 电磁波(共振原理)方式即非辐射电磁能昔振隧道效应,又称作“Witrlclty”无线供电拄术。系统由两个具有相同谐振频率的线圈回路组成,采用单层线圈.两端各放置一个平扳电容器.共同组成谐振回路。当发送端接通电源后,两个线圈都以相同的频率振动.从而产生强大的电磁场,通过“电振”传递电能。电磁共振原理关键在于让两个相同频率的谐振物体产生很强的相互藕台。采用电隘共振原理实现能量实现方式的特点: (1)电磁辐射水平低。和桉磁共振仪的辐射程度相差无几,可咀有效地避免了电磁辐射的对人体的影响。 (2)系统只对能与其产生频率共振的设备进行电能的传输。合理设置共振可避免对其他电子设备的影响,从而使能量有效的传输,也可以同时给几个频率相同的跬备提供电能。目前关于“Witricity”无线供电技术MIT的助理教授马林索尔贾希克和他的研究小组在实验中使用了两个直径为60cm的铜线匦”1,通过调整靛射频率使两个线圈在10MHz产生共振。从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡。而且,即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器,都不会影响灯泡发光。 3.3微波方式 采用微波方式传输电能是目前主要的应用方式之一,也是较早人们探索的方式之一。系统所涉及的关键嚣什由发射机.波束控制.以及接收整流无线等构成。发射机主要实现能量以电能功率转化为射频功率并且以一种被控制的和低损耗 的方式将功率辐射出去。但系统的关键因素还是波束的控制能力,它体现了系统的安全特性。接收整流天线则实现把微波能量转变成直流或交流电能。作为一种点对点的能量传输方式,采用微波技术传输电能具有以下特点:(I)能量以光速进行传送,可迅速变换传输方向。 (2)在真空中传递能量无损耗,波长鞍长时在大气中能量传递损耗很小,能景传输不受地球引力差的影响。 (3)微波电能传输的距离远.频率越高传播的能量越大。微波技术被普遍应用于远距离大功率无线输电上。1964年美国WCBrown成功演示了工作在245GHz 频率上的直升飞机,该飞机从天线中获得了200W的功率。在这之后1969到1975年Brown将30kW的微波能量求传播一英里远的接收站上.效率高达84%。在2003年时欧盟就利用微波输电技术在非洲的留尼汪岛建造了一座10千瓦的实验型微波输电站,而整流天线的研究也不断的深入,箍流天线的研究越来越向高频率、高集成化方面发展。 3.4激光方式 激光具有方向性强,携带能量太等特点.在无线能量传输中越来越被人们所重视。无线传输的实现原理很简单和一般的激光发生器相差无几,只是在数量级上和激光接收上有差距。 它包含电源和激光发生器,电源是给激光发生器提供必要的工作能量。激光发生器将电能转换成激光能,然后发射出去。激光接收装置用来接收激光发射装置发出的激光井将其转化为电能,这是微光发生过程的逆过程。当激光照射到光电转换器,光电转换器可以实现由光能向电能的转化,转化后的电能还要经过整流、滤波来提高电能的质量。激光输电技术相对于传统的输电技术来说有两个突出的特点(I)相对于电气的绝缘没有要求。(2)相对于电磁的绝缘也没有耍求。 利用撒光技术进行输电有很多问题需要解决。馓光束的能量场强度高.汇聚能力强,接收端会产生很大的热量,而且激光的产生程中也会伴随着电磁辐射的产生,高强度的撇能量会瞬间对人类产生不可修复的伤害,所以激输电挂术目前还只局限于太阳能空间基站理论究和一些实验研究。 4无线电能传输技术存在和需要解决的问题 利用无线电能传输方式为手提电脑、手机、MP3播放器以及其他电器设备提供电能就意味着可以自由自在地使用各种电子电器,而不用担心电缆不够长或插头插座不够多,有些电子电器也可以水久地摆脱电池的束缚。这给人们提供极大便利的同时,也可以杜绝因废弃电池带来的环境污染。但是无线电能输电技术在实际应用中也存在着很多胡难和需要解决的问题。主要有以几点: (1)对人身安全和周围环境的影响需要解决。由于无线能量的传输既不像传统的供电方式那样可以在传输路径上得到很好的控制也不像无线通讯那样传送微小的功率。高能量的能量密度势必会对人身安全带来影响,据美国超声协会认定人体所能承受的超声波能晕密度也仅为100mW/m2。而另一方面人们对电磁波的承受范围为100mW/m2,激光则在功率密度小丁25mW/cm才能保证对人体无伤害。所以采用无线输电时要考虑避免对人身的伤害,采用电磁波方式传输电能会对通讯设备产生干扰这也是无线屯能传输过程中需要解决的问题。(2)传输效率普遍不高。目前无线电能传输技术整体上传输的效率不高,主要原因是能量的控制比较困难.无法真正实现能量点对点的传送在传输的过程中会散射等损耗一部分能量.能量转换器的效率不高也是影响整个系统效率的关键田紊。当然随着电子技术的不断进步,传输的效率也会逐渐提高。 (3)要想把无线技术应用到小型移动设备的电能供应中,需要解决的最大的问题就是接收装置的体积问题。和大功率远距离无线输电系统不一样是小型移动设备要求一种便捷、美观、实用的设计。因此对任一种无线输电方式的接收装置都要求高转换效率、小体积、低成本等特点。无线电能传输技术还是一个新的技术,当然随着无线电能传输技术的不断成熟,这些问题和困难都会得到很好的改善。 感想 作为一种新的电能传输方式,无线电能传输技术在对克服传统的有线传输方式的弊端,改善人们能量供应方式上突显出很强的优势。虽然在技术上还有需要改进的地方但总的来说,无线电能传输领域是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域。 没有了电线接口和充电接口,便携式移动类的电子设备体积将进一步缩小,从而增加携带的美观性与方便性;如今我们拥有愈来越多用于工作和个人娱乐的电子设备,速度增长如此之快,令人难以置信,所有这些设备如果都附带专用充电器,结果看到的是乱糟糟的一团电缆,好感大打折扣。而无线充电显然有助于显著改善这种状况。在解决了能效转化效率、电磁人体辐射安全的情况下,如果所有的家电都进入无线供电时代,将能够有效解决家庭布线、家电固定化、居室墙面、景观破坏等问题,为人们的生活提供更多的美化效果;同时,还将在大量节省布线所用的铜、塑料以及人力等资源方面发挥显著作用。 而由于电子设备的外壳上可以省去没有金属接点或者电气连接开口,消除了接触可能产生的电火花问题,避免了电火花可能引起的爆炸;也可以避免由于经常性的插拔引起的插头损坏和接触不良等安全隐患;同时,电子产品的防水性和密封性将进一步增强,如使用无线充电技术的电动牙刷和电动剃须刀的防水性将进一步得到提高。医疗仪器制造商也希望经由无线充电的方法来取代插头,因为这将使电池供电的医疗设备具备防水性能,并且便于消毒 无线供电还可用于地球上许多缺乏或无法布置输电线的地方,例如沙漠、海岛、偏僻的山村、待开发的南极大陆和北冰洋等;另外可以解决常规供电中难以解决的问题,例如加拿大等国开始尝试使用辐射式供电驱动的无人飞机作为电视转播台,美国有研究者设想在高速公路沿线设立微波发射台,为沿途汽车提供能源供应,因此在将来无线供电还可以提供一种特殊、紧急和快速的供电方法。 将来,如果空间太阳能发电实现真正的商业运作化,人类将能从空间太阳能得到巨大的能量获取,从而真正解决能源问题,也真正实现绿色能源,既促进了太阳能的开发,还可向地球以及地球以外的用电场合提供能源,既解决了地球能源日以枯渴的问题,又减少了地球的污染、造福于子孙后代。 总而言之,在可预见的未来。无线电能传输技术将逐步走入我们的生活,给我们的生活带来翻天覆地的变化和无数的便利。 [1]武瑛,严陆光,徐善纲.运动设备无接触供电系统耦合特性的研究[j].电工电能新技术,2005,24(3):5-8. 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