[工学]无线能量的传输课件.ppt

1、Energy Wireless Transfer无线能量传输背景无线能量传输背景/论文整合论文整合 师威浩师威浩无线能量传输原理无线能量传输原理/ppt整合整合 刘兴业刘兴业无线能量传输原理无线能量传输原理 任任 想想无线能量传输前景无线能量传输前景 彭彭 涛涛无线能量传输问题整合无线能量传输问题整合 李李 超超 电线充斥在我们的生活当中，错综复杂的连接方式 给我们带来很大的不便。无线电力传输背景无线电力传输背景长距离的输电线路占用了大量的空间，金属。能否省去？早在了19世纪30年代迈克尔法拉第就发现，磁场变化后将在电线周围产生电流，这就为无线传输电能提供了理论可能！1913年，既是航海家又是

2、网球选手的法国人罗兰-加洛斯就提出能否从地面为空中飞行器提供动力。这是人们当时美好的遐想，试图摆脱电线的思考。2007年美国麻省理工学院的研究人员在无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡。2008年在Intern公司技术峰会上，研究人员声称此项技术可以运用到笔记本电脑上，借此摆脱了电线的束缚！如果这项技术得以应用，我们的生活将会发生巨大的变化：我们不再需要电线、插座，手机充电比打开蓝牙还要简单，只要你处于一定得区域内，手机就一直可以被充电；同样笔记本电脑也不用担心电池没电了。甚至，可能没有电网这个概念，我们不需要电线了。这极大的鼓舞着人们去进行研究

3、无线传输能量的具体方法。电磁波的产生电磁波的产生在空间的传播性质在空间的传播性质空间传播规律空间传播规律电磁波所载能量电磁波所载能量 电流可以产生磁场，而变化的磁场同样可以电流可以产生磁场，而变化的磁场同样可以产生电场，这就形成的电磁场。产生电场，这就形成的电磁场。变化的电、磁场间存在耦合，以波的形式存变化的电、磁场间存在耦合，以波的形式存在于空间，这就是电磁波。电磁波虽然看不见，在于空间，这就是电磁波。电磁波虽然看不见，摸不着，但是他无时无刻不存在于我们的周围，摸不着，但是他无时无刻不存在于我们的周围，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。电磁波的传

4、播过程就是能量传播的过程电磁波的传播过程就是能量传播的过程高频时电磁波可以在自由空间内传递高频时电磁波可以在自由空间内传递 假设自由空间为无缘空间假设自由空间为无缘空间，媒质是各向同性、线性和均匀。，媒质是各向同性、线性和均匀。可以得到电磁波动方程可以得到电磁波动方程 00222222ttttEEEHHH环境在无限大的均匀理想介质中，电磁波电场强度和磁场强度环境在无限大的均匀理想介质中，电磁波电场强度和磁场强度随时间做正弦变化随时间做正弦变化 1、相速等于波速；、相速等于波速；2、场量的幅值与、场量的幅值与x、f无关。无关。电场能量储存在电场中，磁场能量储存在磁场中，电场能量储存在电场中，磁场

5、能量储存在磁场中，电磁场为电、磁场的耦合，既有电场能量又有磁场能量。电磁场为电、磁场的耦合，既有电场能量又有磁场能量。HBEDwwwme2121坡印亭定理坡印亭定理 坡印亭定理给出了电磁能流和电磁场量之间的一般关系，坡印亭定理给出了电磁能流和电磁场量之间的一般关系，反映了电磁能量符合自然界物质运动过程中能量守恒和转化定律。反映了电磁能量符合自然界物质运动过程中能量守恒和转化定律。tWVJVVVeSddJESdHE2)(电磁能流密度电磁能流密度 S=E*H它表示在单位时间内通过垂直于能量传播方向的单位面积的电磁它表示在单位时间内通过垂直于能量传播方向的单位面积的电磁能量。能量。无限能量传输的中枢

6、结构：无限能量传输的中枢结构：天线天线天线是一种专门的电磁波辐射器。天线是一种专门的电磁波辐射器。辐射功率：在远区单位时间内通过球面的辐射功率：在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均值。电磁能量的平均值。在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均值称为天线的辐射功率。在球面，单位面积上值称为天线的辐射功率。在球面，单位面积上通过的功率密度就是坡印亭矢量通过的功率密度就是坡印亭矢量S，则，则 12a vSEH 经过面积dS的功率 将 代入得 以单元偶极子天线为例，有 12dPEH dS22200sin2srPdPdHd HE0rrEEHH2sin2rjIl

7、Hjer200sin2rjI lEjer其中其中 为流经的电流，为流经的电流，为单元偶为单元偶极子的长度极子的长度22()23IlPlI所以，可得辐射功率：将辐射功率视为一个电阻吸收的功率，并使流过电阻将辐射功率视为一个电阻吸收的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流的有效值，则称这个电阻为天的电流等于天线上的电流的有效值，则称这个电阻为天线的辐射电阻。线的辐射电阻。可得单元偶极子的辐射电阻：可得单元偶极子的辐射电阻：2()3lR表征了天线辐射电磁能量的能力，其值越大，辐射能力表征了天线辐射电磁能量的能力，其值越大，辐射能力越强。越强。R(,)(,)jjkrEA fee 对于任何天线，在空间

8、的电场公式均可写成对于任何天线，在空间的电场公式均可写成(,)f(,)表示天线方向性的相位特性。表示天线方向性的相位特性。表示天线方向性的振幅特表示天线方向性的振幅特性性称为天线的方向性函数，表达了天线的方向性特性。称为天线的方向性函数，表达了天线的方向性特性。其不仅决定了场的大小也决定了场的相位。其不仅决定了场的大小也决定了场的相位。(,)f 天线的方向性系数天线的方向性系数D用来表示天线集中辐射能量的特性。用来表示天线集中辐射能量的特性。11(,)uSDS其物理意义为：天线的方向性使某方向的辐射功率密其物理意义为：天线的方向性使某方向的辐射功率密度比之均匀辐射时的倍数。度比之均匀辐射时的倍

9、数。为求方向性，我们可以将研究的天线与理想的，辐射功为求方向性，我们可以将研究的天线与理想的，辐射功率相等的点源做比较。率相等的点源做比较。对点源来说，其没有方向性，即对点源来说，其没有方向性，即24uPSr 通过无穷小单位面的功率为通过无穷小单位面的功率为所以辐射功率为所以辐射功率为 为天线所在媒质的特性阻抗。为天线所在媒质的特性阻抗。所以可得所以可得 在方向在方向 ，222max0(,)sin2EdPfrd dZ 2222max000(,)sin2ErPfd dZ 0Z11(,)2222max000(,)sin24uErSfd dZ 22max11110(,)(,)2ESfZ 可得可得 所

10、以在最大辐射方向上有所以在最大辐射方向上有 21122004(,)(,)sinfDfd d 22004(,)sinDfd d 接收：天线导体在空间电磁场的作用下产生感应电动势接收：天线导体在空间电磁场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生电压并在接收机回路中产生电流。其过程是发射天线的电压并在接收机回路中产生电流。其过程是发射天线的逆过程。逆过程。有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。maxLeavPAS 接收天线在最佳状态下所接收的功率可以看成

11、是被具有面积接收天线在最佳状态下所接收的功率可以看成是被具有面积为为 有效接受面积有效接受面积 的口面所截获的垂直入射波功率密度的总的口面所截获的垂直入射波功率密度的总和和 电磁波的衰减电磁波的衰减 电磁波反射电磁波反射 接收天线的面积接收天线的面积 电磁污染电磁污染 从接收面积考虑从接收面积考虑 我们可以看到能量以我们可以看到能量以1/r2衰减衰减.0 接收天线的面积需要很大接收天线的面积需要很大 在介质中的衰减在介质中的衰减)cos(2)(1xteEx,tEx y xz2()2ecos()H x,tHtx 1122)(低损耗介质低损耗介质u2r64r0.001u10.11.7710r110

12、5.610代入数值后的衰减曲线 EE1020102010201022,ZZZEETZZZZEE对理想导体的入射对理想导体的入射 0EET（全反射）所以电磁波在输电的空间中有障碍物严重影响其输电效率，所以电磁波在输电的空间中有障碍物严重影响其输电效率，尤其是具有导电性的障碍物基本是可以完全反射电磁波，导尤其是具有导电性的障碍物基本是可以完全反射电磁波，导致接收端接收不到能量。致接收端接收不到能量。电磁波污染已成为环境污染要素之一，并危及人电磁波污染已成为环境污染要素之一，并危及人体健康，从而成为继废气、废水、废渣和噪声之体健康，从而成为继废气、废水、废渣和噪声之后的人类环境的又一大公害。后的人类

13、环境的又一大公害。人们长期在强电磁人们长期在强电磁场中，可出现头痛、头晕、疲乏、睡眠不佳，食场中，可出现头痛、头晕、疲乏、睡眠不佳，食欲不振，血液、心血管系统及中枢神经系统异常欲不振，血液、心血管系统及中枢神经系统异常等。有关资料表明：电磁波辐射，长期作用，会等。有关资料表明：电磁波辐射，长期作用，会使女性的内分泌和生殖机能产生不良影响，危害使女性的内分泌和生殖机能产生不良影响，危害生殖细胞和早期胚胎发育，对怀孕头生殖细胞和早期胚胎发育，对怀孕头3个月胎儿个月胎儿所造成的危害程度比妊娠中晚期要大的多。所造成的危害程度比妊娠中晚期要大的多。最佳选择最佳选择：微波 原因原因:微波是波长介于无线电波

14、和红外线辐射之间的电磁波，目前广泛应用于微波炉、气象雷达、导航和移动通信。它不同于无线电中波和短波，能顺利通过电离层而不反射。宇宙空间对微波传输十分理想，几乎没有能量损耗，通过大气层时的损耗约为2。微波输电使电力送供用的结构变得简单，电价也必然大幅度下降。它能改变因能源资源不均衡而造成的电力输送不经济、不合理的状况，应用前景十分广阔。微波输电时，地面接收天线面积很大，其功率密度低于安全标准值。选用245千兆赫的微波时，对环境和生态影响不大。但对通信和雷达、射电天文干扰很大。播的传播要有很强的方向性，这样来避免波的能量损失播的传播要有很强的方向性，这样来避免波的能量损失 微波传送站等，尽量设在远

15、离居住区的远郊区县及地势高微波传送站等，尽量设在远离居住区的远郊区县及地势高的地区的地区 传输站等应与居住区间设置安全防护距离，保证其边界符传输站等应与居住区间设置安全防护距离，保证其边界符合环境电磁波卫生标准的要求，同时，对电磁波辐射源需合环境电磁波卫生标准的要求，同时，对电磁波辐射源需选用能屏蔽、反射或吸收电磁波的铜、铝、钢板、金属丝、选用能屏蔽、反射或吸收电磁波的铜、铝、钢板、金属丝、高分子膜等材料制成的屏蔽物品，建立电磁屏蔽措施，将高分子膜等材料制成的屏蔽物品，建立电磁屏蔽措施，将电磁辐射能量限制在规定的空间之内。电磁辐射能量限制在规定的空间之内。每天可服用一定量的维生素每天可服用一定

16、量的维生素C，或者多吃些富含维生素，或者多吃些富含维生素C的蔬菜的蔬菜 在城市内高层建筑上的通讯基站天线，如果发射功率适当，在城市内高层建筑上的通讯基站天线，如果发射功率适当，架设高度、主射方向合理架设高度、主射方向合理 前景微波输电无线电力传输，未来告别电线医疗诊治早在1968年，针对人类社会面临的能源危机，彼得格拉泽(Peter Glaser)提出了卫星太阳能电站(SatelIite Solar Power Station，简称SSPS)的设想。该电站用庞大的太阳能电池阵在太空中将太阳能转变为电能，设计容量为1 000万千瓦。但是如何将这一强大的电能送到地球表面即成了一个大的问题。经专家们

17、反复论证，目前提出的最为可行方案就是采用“无线输电”的方式，即通过微波将这一强大的电能带回地球。微波输能是社会发展对微波技术提出的新课题。微波输能系统主要由三部分组成：微波输能系统主要由三部分组成：1将包括来自太阳能、风能、海洋能、核能等将包括来自太阳能、风能、海洋能、核能等的电能转换成能在自由空间传播的微波；的电能转换成能在自由空间传播的微波；2微波的定向发射和传输；微波的定向发射和传输；3将接收到的微波功率直接由整流天线将接收到的微波功率直接由整流天线(rectenna)变换为直流电能。变换为直流电能。表表2给出了输送电压、容量、给出了输送电压、容量、距离及造价的大致关系。距离及造价的大致

18、关系。随着原材料价格的上升，随着原材料价格的上升，实际造价会更高。如果采实际造价会更高。如果采用微波无线输电，工业用用微波无线输电，工业用电或发电厂出来的电能稍电或发电厂出来的电能稍加变换后可用来产生微波；加变换后可用来产生微波；电力在空气中的传输几乎电力在空气中的传输几乎不需要任何投资；接收端不需要任何投资；接收端整流后即为低压直流，不整流后即为低压直流，不需要复杂的变电设备。需要复杂的变电设备。空对地、地对空、空对空、地对地四种电磁波输能方式则要求大功率高效率不污染环境的输电。从目前的发展水平与趋势来看，微波输能必将是下个世纪的主要输能方式。国外成立了国际空间大学，其主要科学活动是研究如何

19、利用空间太阳能。我国1990年发电量达138 000兆瓦，2000年计划达到182 000兆瓦(核能占3)。国外1991年曾提议从月球上的电站向地球送2O 000 000兆瓦的电能。可见，微波输能在下个世纪将扮演重要角色。返回 无线电力系统研发成功，那它将无线电力系统研发成功，那它将可为手提电脑、移动电话以及其可为手提电脑、移动电话以及其他设备进行无线充电。一旦实现他设备进行无线充电。一旦实现这种无线电力传输，这种无线电力传输，就意味着一就意味着一些小装置可以永久地摆脱电池的些小装置可以永久地摆脱电池的束缚，束缚，从而杜绝因废弃电池带来从而杜绝因废弃电池带来的环境污染。的环境污染。对于今后无线

20、电力传输的应用，电磁谐振具有无对于今后无线电力传输的应用，电磁谐振具有无可比拟的优势可比拟的优势 方便性：彻底摆脱电池、充电器、插座、电源线方便性：彻底摆脱电池、充电器、插座、电源线 安全性：与生物体相互作用很小，不太可能产生安全性：与生物体相互作用很小，不太可能产生严重的副作用严重的副作用 返回1、体内诊疗装置的无线能量传输方案、体内诊疗装置的无线能量传输方案 体内的诊疗装置主要是用于体内疾病的诊断与治疗。例如，体内的诊疗装置主要是用于体内疾病的诊断与治疗。例如，胶囊内窥镜就是主要用于小肠内疾病的观察。胶囊内窥镜就是主要用于小肠内疾病的观察。传统采用采用微型电池供能传统采用采用微型电池供能

21、多方面局限性多方面局限性：体积：体积大、漏电、毒性大、漏电、毒性研究所设计的无线能量传输装置就是分别在体内和体外设研究所设计的无线能量传输装置就是分别在体内和体外设置发射线圈和感应线圈置发射线圈和感应线圈，如图示，如图示 2、基于电磁感应的消化道内微系统基于电磁感应的消化道内微系统无线能量传输无线能量传输 物质生活水平的提高医疗准确可靠、减少病痛 随着MEMS技术的发展，体内诊疗系统的功能不断增强，从有线走向无线，从被动走向主动，传统的采用电池供能已不能满足大功耗微系统的要求。能量传输问题成为制约MEMS在体内诊疗领域应用的“瓶颈”。总结 无线传输能量从技术难易程度上主要可以分为三大类：大功率

22、输送能量 中功率输送能量 小功率输送能量大功率输能 大功率输能目前面临很大的问题，能量在传输中的损耗，对环境的污染。这都是亟待解决的问题，也是目前技术瓶颈所在，需要在座的各位去解决！中型功率输送能量 中型功率无线传输能量是最有可能在生活中商业化应用的，因为我们日常所用电器功率基本上属于这一范畴，而且没有大功率传输所有的长距离造成的衰减严重这样的问题。目前所要研究的就是如何让无线传输能量装置小型化，高效化，清洁化（无电磁污染）。这些问题的解决与否决定着此项技术能否最终得到广泛应用。我们相信中型功率无线传输装置会像电子计算机的发展一样，由开始的规模巨大到现在的微型化。小功率能量传输 小功率能量传输主要用于生物、医疗方面。需要把无线能量传输装置微型化，生物体不能容忍太大的异物。这需要在传输能量时极好的方向性，可以保证在线圈很小的情况下有充足的能量传递，在智能化的今天，找到集成微型线圈并不是一件难事。在生物、医疗领域，所需能量很小，在保证能量充足、装置微型化的前提下可以适当的牺牲传输效率。低效，却可以使微型装置接收到足够的能量，这就使问题简单化。