無線能量的傳輸

無線能量的傳輸?shù)谝豁?，共五十六頁，編輯?023年，星期三目錄無線能量傳輸背景/論文整合師威浩無線能量傳輸原理/ppt整合劉興業(yè)無線能量傳輸原理任想無線能量傳輸前景彭濤無線能量傳輸問題整合李超第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三無線能量傳輸背景主講人：師威浩第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三電線充斥在我們的生活當中，錯綜復雜的連接方式給我們帶來很大的不便。無線電力傳輸背景第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三長距離的輸電線路占用了大量的空間，金屬。能否省去？？第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三

早在了19世紀30年代邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)，磁場變化后將在電線周圍產(chǎn)生電流，這就為無線傳輸電能提供了理論可能！1913年，既是航海家又是網(wǎng)球選手的法國人羅蘭-加洛斯就提出能否從地面為空中飛行器提供動力。這是人們當時美好的遐想，試圖擺脫電線的思考。第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2007年美國麻省理工學院的研究人員在無線傳輸電力方面取得了新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔地”點亮了一盞60瓦的燈泡。第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2008年在Intern公司技術(shù)峰會上，研究人員聲稱此項技術(shù)可以運用到筆記本電腦上，借此擺脫了電線的束縛！第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三如果這項技術(shù)得以應用，我們的生活將會發(fā)生巨大的變化：我們不再需要電線、插座，手機充電比打開藍牙還要簡單，只要你處于一定得區(qū)域內(nèi)，手機就一直可以被充電；同樣筆記本電腦也不用擔心電池沒電了。第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三甚至，可能沒有電網(wǎng)這個概念，我們不需要電線了。這極大的鼓舞著人們?nèi)ミM行研究無線傳輸能量的具體方法。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三無線能量傳輸原理主講人：劉興業(yè)任想第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三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)律電磁波所載能量第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三電磁波的產(chǎn)生

電流可以產(chǎn)生磁場，而變化的磁場同樣可以產(chǎn)生電場，這就形成的電磁場。變化的電、磁場間存在耦合，以波的形式存在于空間，這就是電磁波。電磁波雖然看不見，摸不著，但是他無時無刻不存在于我們的周圍，凡是高于絕對零度的物體，都會釋出電磁波。第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三空間的傳播電磁波的傳播過程就是能量傳播的過程高頻時電磁波可以在自由空間內(nèi)傳遞第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三空間傳播規(guī)律

假設(shè)自由空間為無緣空間，媒質(zhì)是各向同性、線性和均勻?？梢缘玫诫姶挪▌臃匠?/p>

環(huán)境在無限大的均勻理想介質(zhì)中，電磁波電場強度和磁場強度隨時間做正弦變化1、相速等于波速；2、場量的幅值與x、f無關(guān)。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三能量流動問題與分析電場能量儲存在電場中，磁場能量儲存在磁場中，電磁場為電、磁場的耦合，既有電場能量又有磁場能量。第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三能量流動問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)運動過程中能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。電磁能流密度S=E*H它表示在單位時間內(nèi)通過垂直于能量傳播方向的單位面積的電磁能量。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三電磁能量的發(fā)射與接收第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三無限能量傳輸?shù)闹袠薪Y(jié)構(gòu)：

天線天線是一種專門的電磁波輻射器。第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三天線的發(fā)射參數(shù)天線的輻射功率

輻射功率：在遠區(qū)單位時間內(nèi)通過球面的電磁能量的平均值。在遠區(qū)單位時間內(nèi)通過球面的電磁能量的平均值稱為天線的輻射功率。在球面，單位面積上通過的功率密度就是坡印亭矢量S，則

第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三

∴經(jīng)過面積dS的功率將代入得以單元偶極子天線為例，有

第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三其中為流經(jīng)的電流，為單元偶極子的長度所以，可得輻射功率：第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三天線輻射電阻將輻射功率視為一個電阻吸收的功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流的有效值，則稱這個電阻為天線的輻射電阻。可得單元偶極子的輻射電阻：表征了天線輻射電磁能量的能力，其值越大，輻射能力越強。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三天線的方向性函數(shù)對于任何天線，在空間的電場公式均可寫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)，表達了天線的方向性特性。其不僅決定了場的大小也決定了場的相位。第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三天線的方向性函數(shù)D

天線的方向性系數(shù)D用來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的倍數(shù)。第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三對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，輻射功率相等的點源做比較。對點源來說，其沒有方向性，即第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三

通過無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，

第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三∴可得

所以在最大輻射方向上有

第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三天線的接收接收：天線導體在空間電磁場的作用下產(chǎn)生感應電動勢，并在導體表面激勵起感應電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓并在接收機回路中產(chǎn)生電流。其過程是發(fā)射天線的逆過程。有效接收面積有效接收面積是衡量接收天線接收無線電波能力的重要指標。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第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三無線能量傳輸問題整合主講人：李超第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三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第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三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第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三接收天線的面積接收天線的面積需要很大第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三電磁波的衰減在介質(zhì)中的衰減第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三電磁波的衰減低損耗介質(zhì)代入數(shù)值后的衰減曲線第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三電磁波有反射對理想導體的入射（全反射）所以電磁波在輸電的空間中有障礙物嚴重影響其輸電效率，尤其是具有導電性的障礙物基本是可以完全反射電磁波，導致接收端接收不到能量。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三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環(huán)境的又一大公害。人們長期在強電磁場中，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，長期作用，會使女性的內(nèi)分泌和生殖機能產(chǎn)生不良影響，危害生殖細胞和早期胚胎發(fā)育，對懷孕頭3個月胎兒所造成的危害程度比妊娠中晚期要大的多。第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三從波的頻率考慮最佳選擇：微波原因:微波是波長介于無線電波和紅外線輻射之間的電磁波，目前廣泛應用于微波爐、氣象雷達、導航和移動通信。它不同于無線電中波和短波，能順利通過電離層而不反射。宇宙空間對微波傳輸十分理想，幾乎沒有能量損耗，通過大氣層時的損耗約為2％。微波輸電使電力送供用的結(jié)構(gòu)變得簡單，電價也必然大幅度下降。它能改變因能源資源不均衡而造成的電力輸送不經(jīng)濟、不合理的狀況，應用前景十分廣闊。微波輸電時，地面接收天線面積很大，其功率密度低于安全標準值。選用2．45千兆赫的微波時，對環(huán)境和生態(tài)影響不大。但對通信和雷達、射電天文干擾很大。第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三從接受面積考慮播的傳播要有很強的方向性，這樣來避免波的能量損失第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三從防護措施來考慮微波傳送站等，盡量設(shè)在遠離居住區(qū)的遠郊區(qū)縣及地勢高的地區(qū)傳輸站等應與居住區(qū)間設(shè)置安全防護距離，保證其邊界符合環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準的要求，同時，對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)。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三從防護措施來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，架設(shè)高度、主射方向合理第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三無線能量傳輸前景主講人：彭濤第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三前景微波輸電無線電力傳輸，未來告別電線醫(yī)療診治第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三無線能量傳輸前景一、微波輸電早在1968年，針對人類社會面臨的能源危機，彼得·格拉澤(PeterGlaser)提出了衛(wèi)星太陽能電站(SatelIiteSolarPowerStation，簡稱SSPS)的設(shè)想。該電站用龐大的太陽能電池陣在太空中將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，設(shè)計容量為1000萬千瓦。但是如何將這一強大的電能送到地球表面即成了一個大的問題。經(jīng)專家們反復論證，目前提出的最為可行方案就是采用“無線輸電”的方式，即通過微波將這一強大的電能帶回地球。微波輸能是社會發(fā)展對微波技術(shù)提出的新課題。

第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三微波輸能系統(tǒng)主要由三部分組成：1．將包括來自太陽能、風能、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。

第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三表2給出了輸送電壓、容量、距離及造價的大致關(guān)系。隨著原材料價格的上升，實際造價會更高。如果采用微波無線輸電，工業(yè)用電或發(fā)電廠出來的電能稍加變換后可用來產(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，不需要復雜的變電設(shè)備。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三空對地、地對空、空對空、地對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)展水平與趨勢來看，微波輸能必將是下個世紀的主要輸能方式。國外成立了國際空間大學，其主要科學活動是研究如何利用空間太陽能。我國1990年發(fā)電量達138000兆瓦，2000年計劃達到182000兆瓦(核能占3)。國外1991年曾提議從月球上的電站向地球送2O000000兆瓦的電能?？梢?，微波輸能在下個世紀將扮演重要角色。返回第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三

二、無線電力傳輸，未來告別電線無線電力系統(tǒng)研發(fā)成功，那它將可為手提電腦、移動電話以及其他設(shè)備進行無線充電。一旦實現(xiàn)這種無線電力傳輸，就意味著一些小裝置可以永久地擺脫電池的束縛，從而杜絕因廢棄電池帶來的環(huán)境污染。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三對于今后無線電力傳輸?shù)膽?，電磁諧振具有無可比擬的優(yōu)勢

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)生嚴重的副作用返回第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三三、醫(yī)療診治1、體內(nèi)診療裝置的無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)計的無線能量傳輸裝置就是分別在體內(nèi)和體外設(shè)置發(fā)射線圈和感應線圈，如圖示第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三2、基于電磁感應的消化道內(nèi)微系統(tǒng)無線能量傳輸

物質(zhì)生活水平的提高醫(yī)療準確可靠、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，從有線走向無線，從被動走向主動，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。能量傳輸問題成為制約MEMS在體內(nèi)診療領(lǐng)域應用的“瓶頸”。第五十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期三總結(jié)無線傳輸能量從技術(shù)難易程度上主要可以分為三大類：大功率輸送能量