无线能量传输

无线能量传输朱元庆PB14209187摘要:无线能量传输或无线功率传输，是指能量从能量源传输到电负载的一个过 程，这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输实现。目前无线能 量传输方式最为广泛讨论研究的有两种：1.辐射传输技术。通过某种独特的接收器接受空气中尚未散失的辐射能 量，并将其转换成电能，存储给附近的电池中。2.谐振耦合技术。当两个物体在同一频率实现共振时，将实现能量的无线 传输。本文对这两种无线能量传输技术原理进行了介绍，分析了各自的优势与不 足。在目前无线能量传输技术面临的挑战和机遇状况下，展望了无线能量传输 技术的应用前景。关键词:无限能量传输 激光能量传输 谐振耦合一、绪论 无线能量传输的发展史早在1899年，特斯拉就进行了无线功率传输的实验，结果可以在没有导线 的情况下点亮25英里外的氖气照明灯。1968年，格雷斯(P.Glaser )提出了在功率级别远低于国际安全标准的条 件下，利用微波从太阳动力能卫星向地面传输能量的想法；而在1987年10月7日 的一项固定海拔中继平台(SHARP)实验中，一架小型飞机依靠RF波束提供的能 量在空中飞行。在2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特(G. Pignolet),利用 微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。2006年末，物理学教授马林索 尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置，可以点亮相隔7英尺(约2.1m) 远的60W电灯泡，能量效率可达到40%。2008年8月的英特尔信息技术峰会(IDF： In tel Developer Forum)上演示 了无线供电方式点亮一枚60W电灯泡，可以在1m距离内隔空给60W灯泡提供电 力，效率高达75%。这些年的科技发展表明，在无线数据传输技术日益普及之 时，科学家对无 线电力传输(Wireless Power Transmission, WPT)的研究也有了很大突破-从 某种意义上来讲，无线电力传输也不再是幻想-在未来的生活中摆脱那些纷乱 的电源线也已成为可能。二、基于激光的无线能量传输技术1.激光能量传输系统丁啊迫t+ 殳肘礎杭电功丰”山戦滋林臥和，出屯琳袒败郢站套完整的激光能量传输(系统主要由如下三个模块构成，即：激光发射 模块、激光传输模块和激光电能转换模块。半导体激光器作为激光发射模块的 核心部件其性能和效率直接影响激光能量传输系统的总体效能。在过去几年中 铝镓砷(半导体激光器的电光转换效率有了稳固的提升。)虽然半导体激光器 存在光束质量差的缺点但是可以通过设计高效率的准直系统以及制备光束整形 微透镜组来弥补从而得到方向性很好的光束，使之更适合长距离传输。光伏器件是系统中将激光转换为直流电能的关键部件，是激光电能转换模 块中的核心部件。目前，太阳能光伏产业的光伏电池主要有多晶硅、单晶硅、 皿-v族半导体等类型。采用多结聚光技术可以很大的提高光伏转换效率。2. 激光能量传输的特点及应用激光无线能量传输方向性强、能量集中可以用较小的发射功率实现较远距 离的供电，所需的传输和接收设备比微波的小得多，但对准精度要求较高。在 空间活动的研究过程中激光能量传输技术已经被广泛讨论具有重大的太空使命 及经济潜力。它不仅仅能显著降低成本空间，还能为空间系统任务和商业任务 增加额外能力。激光能量传输在未来将会得到广泛应用。激光能量传输技术不仅可以增加飞行器能量获取来源，延长飞行器使用寿 命加大对太空资源的利用率，同时也可为空间运载工具输电。激光能量传输技 术能使未来卫星、飞船的能力和运营效率产生很大的提高，巳成为未来航天器 技术研究规划的重要部分。三、谐振耦合式无线能量传输技术1. 谐振耦合式无线能量传输技术原理 相距一段距离的发射线圈和接受线圈， 通过高频信号发生器， 利用高频 功率放大器使得发射线圈上产生较大的电流，从而在发射线圈周围产生高 频磁场。接受线圈感应到高频磁场后， 就会产生感应电动势， 这样就实现了 能量的无线传输。 发射线圈和接受线圈组成一个无接触变压器模型。 再通过 补偿电路来改善和提高系统的输出功率和传输效率。 为了降低初级系统 （即 图中的体外系统） 的功率要求， 在初级能量产生系统中加入补偿电容。 补偿 电容与初级线圈的连接方式为串联。其基本结构示意图如图。根据电磁感应原理，在初级线圈上产生高频正弦交流电，在次级线圈上得到 感应高频交流电，为了得到较好的稳恒直流源，满足体内微机电系统的能量需 要，通过整流将交流电转化为直流电。转化的直流电经过滤波电容滤波，产生 较光滑的波形。在电压滤波之后，需再引入稳压环节，降低纹波系数，从而得 到更稳定的稳恒电流。线圈间的耦合程度决定了能量传输的大小和效率，耦合程度由耦合系数量表 示，耦合系数表明两个导体之间的耦合能力，定义为：其中：M为线圈间的互感，LI、L2为线圈自感。对无线能量传输的过程探究，我们可以建立如图的互感模型。图中，Lp和Ls分别为发射线圈和接受线圈；Cp和Cs分别为初级和次级补偿 电容；Rp和Rs分别代表发射线圈和接受线圈的内阻；Up是加在发射线圈上的等 效交流电流；R1是等效负载阻抗。我们不妨假设Up为理想的正弦交流电压，其频率为。则由基尔霍夫回路 电压方程，可以得到：也+如机p + fm -嗣伉耳（1）十山此十十人尽匸仙卩（2）整个系统在工作时，次级边的谐振频率为：113一0 pLpCp ：LsCs而系统的工作电源频率应与之相同，即有:3301 _ 1Q LpCpLsCs将这一关系代入上面的式（1）,p =+%叫 +/协j =M心（2），可以解出在这里，我们定义能量传输效率为负载功率和电源功率的比值，则可以得到又 =2兀fo计算得到=的饥耳一哲g + Kl2 +曲/g +血（2呱）力鱼 _堀g + 叫尸+佗吠诃（尺+ A）式中，M为发射线圈和接受线圈的互感。从以上式（6）中我们可以看出，能量传输效率n与工作频率3、互感系数 M和负载电阻R成正比，而与原边线圈内阻Rp和副边线圈内阻Rs成反比。要提 高传输效率n,需要增大工作频率3、互感系数M和负载电阻R,减小原边线 圈内阻Rp和副边线圈内阻Rs。，当电源频率f增大到一个很大的值，约为lOOkH 时，效率随电源频率f的增加就很小，而且由于金属的趋肤效应，线圈内阻会Z 随频率的增加而增大；所以，f不能太高；但是两线圈的互感系数M反映了 原、副边之间的耦合能力，理论上与原、副边匝数无关，只与线圈的几何形 状、周围的磁性材料以及它们之间的相对位置有关。而M的增大对n的影响较 为显著，故而设法提高发射线圈和接受线圈之间的互感M的影响因素及其对无 线能量传输系统的效率的影响是设计一个优良的无线能量传输系统是很有必要 的。2. 谐振耦合无线能量传输的特点及应用谐振耦合式无线能量传输技术与感应式无线能量传输技术不同之处在于该 技术融合了共振技术，不仅提高了能量的传输距离，而且提高了能量的传输效 率。另外，该技术不像微波对人体产生危害，由于人体作为非磁性物体，暴露 在强磁场环境中不会有任何影响，再则，该技术实现能量传输的基本原理是共 振，只有谐振频率相同的谐振体才有可能受到影响，所以不必担心其对人体及 周围物体产生危害。谐振耦合式主要的应用领域为无线充电。无线充电技术发展至今，应用场 景广泛。可为电动牙刷、电动剃须刀和无绳电话等小家电无线充电，并已实用 化；可为便携式消费类电子，如手机、Pad和笔记本电脑等充电；也可为电动汽 车无线充电。而随着医疗植入式装置在疾病治疗中发挥着越来越重要的作用， 利用谐振耦合式无线能量传输技术给植入的装置充电，来代替通过手术更换电 池的方法，也成为了一大重要议题。参考文献1. 李振宇,石德乐,申景诗,马宗峰. 基于激光的无线能量传输技术. 山东 省航天电子技术研究所，烟台.1674-7135.2013.03.0162. 张雪松,朱超甫,李忠富. 基于微带天线的能量传输技术及其性能研究. 电子与信息学报.2007,29（1）:232-233. 杜贵平，张波. 感应耦合式电能无线传输发展及其亟待解决的关键问 题. 国际电子变压器,2009.044. 马官营, 颜国正. 基于电磁感应的消化道内微系统无线能量传输问题研 究. 生物医学工程学杂志.2008,01:61-655. 范兴明,莫小勇,张鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状及应用.桂 林电子科技大学电气工程及其自动化系,桂林.6. 李阳,杨庆新,闫卓,等无. 线电能有效传输距离机器影响因素及分析【J】.电工技术学报.2013,28(1):106-112.7. 张献,杨庆新,陈海燕,等. 电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究【J】.中国电机工程学报.2012,32(9):167-172.