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无线能量传输 组员 刘兴业师威浩彭涛李超任想 EnergyWirelessTransfer 目录 无线能量传输背景 论文整合师威浩 无线能量传输原理 ppt整合刘兴业 无线能量传输原理任想 无线能量传输前景彭涛 无线能量传输问题整合李超 无线能量传输背景 主讲人 师威浩 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 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无线传输能量的具体方法 无线能量传输原理 主讲人 刘兴业任想 电磁能量在空间的传播 电磁波的产生 在空间的传播性质 空间传播规律 电磁波所载能量 电磁波的产生 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 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 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 空间的传播 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 空间传播规律 假设自由空间为无缘空间 媒质是各向同性 线性和均匀 可以得到电磁波动方程 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 1 相速等于波速 2 场量的幅值与x f无关 能量流动问题与分析 电场能量储存在电场中 磁场能量储存在磁场中 电磁场为电 磁场的耦合 既有电场能量又有磁场能量 能量流动问题与分析 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 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 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能量 电磁能量的发射与接收 无限能量传输的中枢结构 天线 天线是一种专门的电磁波辐射器 天线的发射参数 天线的辐射功率辐射功率 在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均值 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 单位面积上通过的功率密度就是坡印亭矢量S 则 经过面积dS的功率将代入得以单元偶极子天线为例 有 其中为流经的电流 为单元偶极子的长度 所以 可得辐射功率 天线辐射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 则称这个电阻为天线的辐射电阻 可得单元偶极子的辐射电阻 表征了天线辐射电磁能量的能力 其值越大 辐射能力越强 天线的方向性函数 对于任何天线 在空间的电场公式均可写成 表示天线方向性的相位特性 表示天线方向性的振幅特性 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 天线的方向性函数D天线的方向性系数D用来表示天线集中辐射能量的特性 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 对于天线方向性的求解为求方向性 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 对点源来说 其没有方向性 即 通过无穷小单位面的功率为所以辐射功率为为天线所在媒质的特性阻抗 所以可得在方向 可得所以在最大辐射方向上有 天线的接收 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 有效接收面积 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 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有效接受面积的口面所截获的垂直入射波功率密度的总和 无线能量传输问题整合 主讲人 李超 电磁波输电遇到的困难 电磁波的衰减电磁波反射接收天线的面积电磁污染 电磁波的衰减 从接收面积考虑 我们可以看到能量以1 r 2衰减 0 接收天线的面积 接收天线的面积需要很大 电磁波的衰减 在介质中的衰减 电磁波的衰减 低损耗介质 代入数值后的衰减曲线 电磁波有反射 对理想导体的入射 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 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 电磁污染 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 废渣和噪声之后的人类环境的又一大公害 人们长期在强电磁场中 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 危害生殖细胞和早期胚胎发育 对怀孕头3个月胎儿所造成的危害程度比妊娠中晚期要大的多 从波的频率考虑 最佳选择 微波原因 微波是波长介于无线电波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2 45千兆赫的微波时 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 从接受面积考虑 播的传播要有很强的方向性 这样来避免波的能量损失 从防护措施来考虑 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 将电磁辐射能量限制在规定的空间之内 从防护措施来考虑 每天可服用一定量的维生素C 或者多吃些富含维生素C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 架设高度 主射方向合理 无线能量传输前景 主讲人 彭涛 无线能量传输前景 一 微波输电早在1968年 针对人类社会面临的能源危机 彼得 格拉泽 PeterGlaser 提出了卫星太阳能电站 SatelIiteSolarPowerStation 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1000万千瓦 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 1 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 2 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 rectenna 变换为直流电能 表2给出了输送电压 容量 距离及造价的大致关系 随着原材料价格的上升 实际造价会更高 如果采用微波无线输电 工业用电或发电厂出来的电能稍加变换后可用来产生微波 电力在空气中的传输几乎不需要任何投资 接收端整流后即为低压直流 不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利用空间太阳能 我国1990年发电量达138000兆瓦 2000年计划达到182000兆瓦 核能占3 国外1991年曾提议从月球上的电站向地球送2O000000兆瓦的电能 可见 微波输能在下个世纪将扮演重要角色 返回 二 无线电力传输 未来告别电线无线电力系统研发成功 那它将可为手提电脑 移动电话以及其他设备进行无线充电 一旦实现这种无线电力传输 就意味着一些小装置可以永久地摆脱电池的束缚 从而杜绝因废弃电池带来的环境污染 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 不太可能产生严重的副作用 返回 三 医疗诊治 1 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 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多方面局限性 体积大 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置发射线圈和感应线圈 如图示 2 基于电磁感应的消化道内微系统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