工學(xué)無(wú)線能量的傳輸課件

無(wú)線能量傳輸組員：劉興業(yè)師威浩彭濤李超任想EnergyWirelessTransfer無(wú)線能量傳輸組員：劉興業(yè)EnergyWirelessTr1目錄無(wú)線能量傳輸背景/論文整合師威浩無(wú)線能量傳輸原理/ppt整合劉興業(yè)無(wú)線能量傳輸原理任想無(wú)線能量傳輸前景彭濤無(wú)線能量傳輸問(wèn)題整合李超目錄無(wú)線能量傳輸背景/論文整合師威浩無(wú)2無(wú)線能量傳輸背景主講人：師威浩無(wú)線能量傳輸背景主講人：師威浩3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(lái)很大的不便。無(wú)線電力傳輸背景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(lái)很大4長(zhǎng)距離的輸電線路占用了大量的空間，金屬。能否省去？？長(zhǎng)距離的輸電線路占用了大量的空間，金屬。能否省去？？5

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?chē)a(chǎn)生電流，這就為無(wú)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。早在了19世紀(jì)30年代邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)62007年美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員在無(wú)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。2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員在無(wú)線傳輸電力方面取得了72008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！2008年在Intern8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(kāi)藍(lán)牙還要簡(jiǎn)單，只要你處于一定得區(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(méi)電了。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9甚至，可能沒(méi)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(wú)線傳輸能量的具體方法。甚至，可能沒(méi)有電網(wǎng)這個(gè)概念，我們不需要電線了。這極大的10無(wú)線能量傳輸原理主講人：劉興業(yè)任想無(wú)線能量傳輸原理主講人：劉興業(yè)任想11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能量在空間的傳播電磁波12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，以波的形式存在于空間，這就是電磁波。電磁波雖然看不見(jiàn)，摸不著，但是他無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在于我們的周?chē)?，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波。電磁波的產(chǎn)生

電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，而變化的13空間的傳播電磁波的傳播過(guò)程就是能量傳播的過(guò)程高頻時(shí)電磁波可以在自由空間內(nèi)傳遞空間的傳播電磁波的傳播過(guò)程就是能量傳播的過(guò)程高頻時(shí)電磁波可以14空間傳播規(guī)律

假設(shè)自由空間為無(wú)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(wú)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(wú)關(guān)?？臻g傳播規(guī)律假設(shè)自由空間為無(wú)緣空間，媒質(zhì)是各向同性、線性15能量流動(dòng)問(wèn)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(wèn)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)16能量流動(dòng)問(wèn)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(guò)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(guò)垂直于能量傳播方向的單位面積的電磁能量。能量流動(dòng)問(wèn)題與分析坡印亭定理坡印亭定理給出了電磁能流和電磁17電磁能量的發(fā)射與接收電磁能量的發(fā)射與接收18無(wú)限能量傳輸?shù)闹袠薪Y(jié)構(gòu)：

天線天線是一種專(zhuān)門(mén)的電磁波輻射器。無(wú)限能量傳輸?shù)闹袠薪Y(jié)構(gòu)：天線天線是一種專(zhuān)門(mén)的電磁波輻射器。19天線的發(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(guò)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(guò)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(guò)的功率密度就是坡印亭矢量S，則

天線的發(fā)射參數(shù)天線的輻射功率在遠(yuǎn)區(qū)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)球面的電磁能20

∴經(jīng)過(guò)面積dS的功率將代入得以單元偶極子天線為例，有

21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：其中為流經(jīng)的電流，為單元偶極子的長(zhǎng)度所以，可得22天線輻射電阻將輻射功率視為一個(gè)電阻吸收的功率，并使流過(guò)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?？傻脝卧紭O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23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(xiě)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(xiě)成表示天24天線的方向性函數(shù)D天線的方向性系數(shù)D用來(lái)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)。天線的方向性函數(shù)D其物理意義為：天線的方向性使某方向的輻射功25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(lái)說(shuō)，其沒(méi)有方向性，即對(duì)于天線方向性的求解對(duì)點(diǎn)源來(lái)說(shuō)，其沒(méi)有方向性，即26

通過(guò)無(wú)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，

通過(guò)無(wú)窮小單位面的功率為27∴可得

所以在最大輻射方向上有

∴可得28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(guò)程是發(fā)射天線的逆過(guò)程。有效接收面積有效接收面積是衡量接收天線接收無(wú)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)，29無(wú)線能量傳輸問(wèn)題整合主講人：李超無(wú)線能量傳輸問(wèn)題整合30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輸電遇到的困難電磁波的衰減31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32接收天線的面積接收天線的面積需要很大接收天線的面積接收天線的面積需要很大33電磁波的衰減在介質(zhì)中的衰減電磁波的衰減在介質(zhì)中的衰減34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的衰減低損耗介質(zhì)代入數(shù)值后的衰減曲線35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。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36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(lèi)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。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，37從波的頻率考慮最佳選擇：微波原因:微波是波長(zhǎng)介于無(wú)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(wú)線電中波和短波，能順利通過(guò)電離層而不反射。宇宙空間對(duì)微波傳輸十分理想，幾乎沒(méi)有能量損耗，通過(guò)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)，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。從波的頻率考慮最佳選擇：微波38從接受面積考慮播的傳播要有很強(qiáng)的方向性，這樣來(lái)避免波的能量損失從接受面積考慮播的傳播要有很強(qiáng)的方向性，這樣來(lái)避免波的能量損39從防護(hù)措施來(lái)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)。從防護(hù)措施來(lái)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40從防護(hù)措施來(lái)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、主射方向合理從防護(hù)措施來(lái)考慮每天可服用一定量的維生素C，或者多吃些富含維41無(wú)線能量傳輸前景主講人：彭濤無(wú)線能量傳輸前景主講人：彭濤42前景微波輸電無(wú)線電力傳輸，未來(lái)告別電線醫(yī)療診治前景微波輸電無(wú)線電力醫(yī)療診治43無(wú)線能量傳輸前景一、微波輸電早在1968年，針對(duì)人類(lèi)社會(huì)面臨的能源危機(jī)，彼得·格拉澤(PeterGlaser)提出了衛(wèi)星太陽(yáng)能電站(SatelIiteSolarPowerStation，簡(jiǎn)稱SSPS)的設(shè)想。該電站用龐大的太陽(yáng)能電池陣在太空中將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，設(shè)計(jì)容量為1000萬(wàn)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(wèn)題。經(jīng)專(zhuān)家們反復(fù)論證，目前提出的最為可行方案就是采用“無(wú)線輸電”的方式，即通過(guò)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。

無(wú)線能量傳輸前景一、微波輸電44微波輸能系統(tǒng)主要由三部分組成：1．將包括來(lái)自太陽(yáng)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流天線(rectenna)變換為直流電能。

微波輸能系統(tǒng)主要由三部分組成：45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(wú)線輸電，工業(yè)用電或發(fā)電廠出來(lái)的電能稍加變換后可用來(lái)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。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)46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(lái)看，微波輸能必將是下個(gè)世紀(jì)的主要輸能方式。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(yáng)能。我國(guó)1990年發(fā)電量達(dá)138000兆瓦，2000年計(jì)劃達(dá)到182000兆瓦(核能占3)。國(guó)外1991年曾提議從月球上的電站向地球送2O000000兆瓦的電能。可見(jiàn)，微波輸能在下個(gè)世紀(jì)將扮演重要角色。返回空對(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47

二、無(wú)線電力傳輸，未來(lái)告別電線無(wú)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(wú)線充電。一旦實(shí)現(xiàn)這種無(wú)線電力傳輸，就意味著一些小裝置可以永久地?cái)[脫電池的束縛，從而杜絕因廢棄電池帶來(lái)的環(huán)境污染。二、無(wú)線電力傳輸，未來(lái)告別電線48對(duì)于今后無(wú)線電力傳輸?shù)膽?yīng)用，電磁諧振具有無(wú)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)重的副作用返回對(duì)于今后無(wú)線電力傳輸?shù)膽?yīng)用，電磁諧振具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)返回49三、醫(yī)療診治1、體內(nèi)診療裝置的無(wú)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多方面局限性：體積大、漏電、毒性研究所設(shè)計(jì)的無(wú)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，如圖示三、醫(yī)療診治1、體內(nèi)診療裝置的無(wú)線能量傳輸方案502、基于電磁感應(yīng)的消化道內(nèi)微系統(tǒng)無(wú)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(wú)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(wèn)題成為制約MEMS在體內(nèi)診療領(lǐng)域應(yīng)用的“瓶頸”。2、基于電磁感應(yīng)的消化道內(nèi)微系統(tǒng)無(wú)線能量傳輸51總結(jié)無(wú)線傳輸能量從技術(shù)難易程度上主要可以分為三大類(lèi)：大功率輸送能量中功率輸送能量小功率輸送能量總結(jié)無(wú)線傳輸能量從技術(shù)難易程度上主要可以分52大功率輸能大功率輸能目前面臨很大的問(wèn)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(wèn)題，也是目前技術(shù)瓶頸所在，需要在座的各位去解決！大功率輸能大功率輸能目前面臨很大的問(wèn)題，能量53中型功率輸送能量中型功率無(wú)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@一范疇，而且沒(méi)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(wèn)題。目前所要研究的就是如何讓無(wú)線傳輸能量裝置小型化，高效化，清潔化（無(wú)電磁污染）。這些問(wèn)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(wú)線傳輸裝置會(huì)像電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展一樣，由開(kāi)始的規(guī)模巨大到現(xiàn)在的微型化。中型功率輸送能量中型功率無(wú)線傳輸能量是最有可能在生活中54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(wú)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，可以保證在線圈很小的情況下有充足的能量傳遞，在智能化的今天，找到集成微型線圈并不是一件難事。在生物、醫(yī)療領(lǐng)域，所需能量很小，在保證能量充足、裝置微型化的前提下可以適當(dāng)?shù)臓奚鼈鬏斝省５托?，卻可以使微型裝置接收到足夠的能量，這就使問(wèn)題簡(jiǎn)單化。小功率能量傳輸小功率能量傳輸主要用于生物55謝謝！謝謝！56無(wú)線能量傳輸組員：劉興業(yè)師威浩彭濤李超任想EnergyWirelessTransfer無(wú)線能量傳輸組員：劉興業(yè)EnergyWirelessTr57目錄無(wú)線能量傳輸背景/論文整合師威浩無(wú)線能量傳輸原理/ppt整合劉興業(yè)無(wú)線能量傳輸原理任想無(wú)線能量傳輸前景彭濤無(wú)線能量傳輸問(wèn)題整合李超目錄無(wú)線能量傳輸背景/論文整合師威浩無(wú)58無(wú)線能量傳輸背景主講人：師威浩無(wú)線能量傳輸背景主講人：師威浩59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(lái)很大的不便。無(wú)線電力傳輸背景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(lái)很大60長(zhǎng)距離的輸電線路占用了大量的空間，金屬。能否省去？？長(zhǎng)距離的輸電線路占用了大量的空間，金屬。能否省去？？61

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?chē)a(chǎn)生電流，這就為無(wú)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。早在了19世紀(jì)30年代邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)622007年美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員在無(wú)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。2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員在無(wú)線傳輸電力方面取得了632008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！2008年在Intern64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(kāi)藍(lán)牙還要簡(jiǎn)單，只要你處于一定得區(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(méi)電了。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65甚至，可能沒(méi)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(wú)線傳輸能量的具體方法。甚至，可能沒(méi)有電網(wǎng)這個(gè)概念，我們不需要電線了。這極大的66無(wú)線能量傳輸原理主講人：劉興業(yè)任想無(wú)線能量傳輸原理主講人：劉興業(yè)任想67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能量在空間的傳播電磁波68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，以波的形式存在于空間，這就是電磁波。電磁波雖然看不見(jiàn)，摸不著，但是他無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在于我們的周?chē)?，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波。電磁波的產(chǎn)生

電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，而變化的69空間的傳播電磁波的傳播過(guò)程就是能量傳播的過(guò)程高頻時(shí)電磁波可以在自由空間內(nèi)傳遞空間的傳播電磁波的傳播過(guò)程就是能量傳播的過(guò)程高頻時(shí)電磁波可以70空間傳播規(guī)律

假設(shè)自由空間為無(wú)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(wú)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(wú)關(guān)。空間傳播規(guī)律假設(shè)自由空間為無(wú)緣空間，媒質(zhì)是各向同性、線性71能量流動(dòng)問(wèn)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(wèn)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)72能量流動(dòng)問(wèn)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(guò)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(guò)垂直于能量傳播方向的單位面積的電磁能量。能量流動(dòng)問(wèn)題與分析坡印亭定理坡印亭定理給出了電磁能流和電磁73電磁能量的發(fā)射與接收電磁能量的發(fā)射與接收74無(wú)限能量傳輸?shù)闹袠薪Y(jié)構(gòu)：

天線天線是一種專(zhuān)門(mén)的電磁波輻射器。無(wú)限能量傳輸?shù)闹袠薪Y(jié)構(gòu)：天線天線是一種專(zhuān)門(mén)的電磁波輻射器。75天線的發(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(guò)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(guò)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(guò)的功率密度就是坡印亭矢量S，則

天線的發(fā)射參數(shù)天線的輻射功率在遠(yuǎn)區(qū)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)球面的電磁能76

∴經(jīng)過(guò)面積dS的功率將代入得以單元偶極子天線為例，有

77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：其中為流經(jīng)的電流，為單元偶極子的長(zhǎng)度所以，可得78天線輻射電阻將輻射功率視為一個(gè)電阻吸收的功率，并使流過(guò)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?？傻脝卧紭O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79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(xiě)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(xiě)成表示天80天線的方向性函數(shù)D天線的方向性系數(shù)D用來(lái)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)。天線的方向性函數(shù)D其物理意義為：天線的方向性使某方向的輻射功81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(lái)說(shuō)，其沒(méi)有方向性，即對(duì)于天線方向性的求解對(duì)點(diǎn)源來(lái)說(shuō)，其沒(méi)有方向性，即82

通過(guò)無(wú)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，

通過(guò)無(wú)窮小單位面的功率為83∴可得

所以在最大輻射方向上有

∴可得84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(guò)程是發(fā)射天線的逆過(guò)程。有效接收面積有效接收面積是衡量接收天線接收無(wú)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)，85無(wú)線能量傳輸問(wèn)題整合主講人：李超無(wú)線能量傳輸問(wèn)題整合86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輸電遇到的困難電磁波的衰減87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88接收天線的面積接收天線的面積需要很大接收天線的面積接收天線的面積需要很大89電磁波的衰減在介質(zhì)中的衰減電磁波的衰減在介質(zhì)中的衰減90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的衰減低損耗介質(zhì)代入數(shù)值后的衰減曲線91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。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92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(lèi)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。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，93從波的頻率考慮最佳選擇：微波原因:微波是波長(zhǎng)介于無(wú)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(wú)線電中波和短波，能順利通過(guò)電離層而不反射。宇宙空間對(duì)微波傳輸十分理想，幾乎沒(méi)有能量損耗，通過(guò)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)，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。從波的頻率考慮最佳選擇：微波94從接受面積考慮播的傳播要有很強(qiáng)的方向性，這樣來(lái)避免波的能量損失從接受面積考慮播的傳播要有很強(qiáng)的方向性，這樣來(lái)避免波的能量損95從防護(hù)措施來(lái)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)。從防護(hù)措施來(lái)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96從防護(hù)措施來(lái)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、主射方向合理從防護(hù)措施來(lái)考慮每天可服用一定量的維生素C，或者多吃些富含維97無(wú)線能量傳輸前景主講人：彭濤無(wú)線能量傳輸前景主講人：彭濤98前景微波輸電無(wú)線電力傳輸，未來(lái)告別電線醫(yī)療診治前景微波輸電無(wú)線電力醫(yī)療診治99無(wú)線能量傳輸前景一、微波輸電早在1968年，針對(duì)人類(lèi)社會(huì)面臨的能源危機(jī)，彼得·格拉澤(PeterGlaser)提出了衛(wèi)星太陽(yáng)能電站(SatelIiteSolarPowerStation，簡(jiǎn)稱SSPS)的設(shè)想。該電站用龐大的太陽(yáng)能電池陣在太空中將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽O(shè)計(jì)容量為1000萬(wàn)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(wèn)題。經(jīng)專(zhuān)家們反復(fù)論證，目前提出的最為可行方案就是采用“無(wú)線輸電”的方式，即通過(guò)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。

無(wú)線能量傳輸前景一、微波輸電100微波輸能系統(tǒng)主要由三部分組成：1．將包括來(lái)自太陽(yáng)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流天線(rectenna)變換為直流電能。

微波輸能系統(tǒng)主要由三部分組成：101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(wú)線輸電，工業(yè)用電或發(fā)電廠出來(lái)的電能稍加變換后可用來(lái)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。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)102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(lái)看，微波輸能必將是下個(gè)世紀(jì)的主要輸能方式。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(yáng)能。我國(guó)1990年發(fā)電量達(dá)138000兆瓦，2000年計(jì)劃達(dá)到182000兆瓦(核能占3)。國(guó)外1991年曾提議從月球上的電站向地球送2O000000兆瓦的電能?？梢?jiàn)，微波輸能在下個(gè)世紀(jì)將扮演重要角色。返回空對(duì)地、地對(duì)空、空對(duì)空、地對(duì)地四種電磁波輸能方式