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无线能量传输Wireless energy transfer主 题：无线能量传输关键词：无线、电磁波、传输摘 要：介绍电能无线传输目前的发展现况及相对于传统的导线传输方式的优点和缺点。结合我们当前所学的知识论述无线能量传输的基本原理，总结无线能量传输当前存在的技术问题，提出相对应的改进建议。设想该技术在未来可能应用到的领域、可能遇到的问题，发表我们的看法。Topic：Wireless energy transferKey words: wireless, electromagnetic, transferAbstract：Introduce the current status of development of Wireless Energy Transmission .Compared with the traditional way of transmission of energy with wire, Wireless Energy Transmission has advantages and disadvantages. Combined with our current knowledge, we discourse on the basic principles of wireless energy transfer. We sum up the current technical problems in this field, and give the corresponding suggestions for improvement. Envisaged the likely problems and the area that the technology may be applied to in the future and express our views.xxx 电气工程及自动化专业xxx 电气工程及自动化专业 xxx 电气工程及自动化专业xxx 电气工程及自动化专业xxx 电气工程及自动化专业第1页一、背景：电线充斥着我们的生活，从繁华的城市，到偏远的乡村，在大街上，在我们的家中，都有电线的的身影。它给我们的生活带来了方便，但它也有自己的缺陷：有限的长度，错综复杂的连接方式我们能不能摆脱电线的束缚？人们一直都在探索：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6月8日，6月8日，科学杂志刊登文章说，美国麻省理工学院的研究人员最近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。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。我们小组结合所学过的工程电磁场导论主要研究无线能量传输的基本原理，并提出我们自己的具有一定可行性的建议及我们认为可以改进的地方。通过查阅相关资料和小组讨论交流加深对这门课程的理解，锻炼缜密的思维能力，培养初步的科学研究意识。二、原理介绍：（一）电磁波的产生：电磁场的主要描述量E和H 根据麦克斯韦方程我们引入两个位函数A和有还补充一个洛伦兹规范就可以得到达朗贝尔方程对于位于坐标原点的一个电荷量随时间变化的点电荷q（t）激发的标量位，其达朗贝尔方程解为 可以看成由原点出发的两列以速度V向+r方向的射波和向-r反射波的叠加。可得第2页其中 是场点r到元电荷的距离。这表明，电磁场具有滞后性，即不取决于同一时刻源的特性只要前一时刻的源存在，它们在空间产生的电磁场就依然存在。这表明源能把能量释放到空间。电磁能脱离源而单独存在于空间中的现象称为电磁辐射。我们的无线输电就是电磁辐射的一个理想应用 。（二）天线的特性参数 天线就是就是一种专门的辐射器。任何天线都可以通过一些适当的特性参数来评价其性能。（1）天线的发射参数 天线的辐射分为近区场和远区场 在近区场 r ，只有电能和磁能的交替振荡，没有能量向外传播。 在远区场 r ，这就要求近距离输电时频率至少是GHz。以天线为中心，做一球面，则从天线辐射出来的电磁能量全部通过球面。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 ， 第3页可得其中 为流经的电流， 为单元偶极子的长度。 如果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，即可得单元偶极子的辐射电阻在自由空间中 表征了天线辐射电磁能量的能力，其值越大，辐射能力越强。（2） 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A表示天线到观察点之间于方向无关的因子，只取决于天线的类型。表示天线方向性的振幅特性。 表示天线方向性的相位特性。 通常我们就将 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。 值通过0时改变符号，即相位要突变180度，方向性振幅特性是 。（3） 天线的方向性系数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。其定义是：设天线的辐射功率 在任一方向 ，辐射功率密度（坡印亭矢量） 与相等辐射功率 均匀辐射时的平均功率密度 的比值，即其物理意义为：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。 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 第4页 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（4）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。在电磁场中，用互易定理可以得到：任何类型的天线用作接收天线时的方向性等参数在用作发射天线时不变。 有效接收面积：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天花的极化与来波极化相匹配，接收天线送到匹配负载的平均功率 与来波的功率密度 之比，记为 即 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 的口面所截获的垂直入射波功率密度的总和。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。（二）电磁场的空间传播：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。根据资料电磁场与波，“电磁波是能量的一种”，也就说明了电磁波的传播过程就是能量传播的过程；除此之外“电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。”我们这次课题-无限能量传播的主要原理就是利用了了电磁波可以传播能量与在高频时电磁波可以再自由空间内传递这两个性质。首先研究电磁波在空间的传播特性，我们在这里讨论的都是在理想情况下。由以前知识可知电磁波在发射源消失后仍能继续存在并向想前传播。电磁场基本方程组为第5页假设自由空间为无缘空间，则其传到电流和自由电荷均为零，同时无缘空间中的煤质是各向同性、线性和均匀的，那么可以得到电磁波动方程：可以假设我们所处的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，则r=0，无衰减传播且不存在反射波。（如图1） （图1） 根据电磁场概论得出理想介质中的正弦均匀平面波的传播特点为（1） 相速等于波速；（2）场量的幅值与x、f无关。应用在无限能量传输中可以得出在理想均匀接介质中正弦均匀平面波的幅值不会随距离的增长而衰减，为等振幅波，这样能量就会电磁波的运动而传输。三、电磁波输电所遇到的困难及解决办法：一）电磁波的衰减很快（1）从接收面积考虑0P我们可以看到能量以1/r2衰减.第6页（2）在介质中的衰减 （衰减常数）（代入数值后低损耗介质的衰减曲线） 第7页 低损耗介质参数 二）电磁波有反射（反射系数） （折射系数）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会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。第7页三）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。 解决办法：一）减少能量损失：微波输电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，其传播要有很强的方向性，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。第8页时下，微波输电技术的实际应用还有一些问题亟待解决，大面积推广还须时日。但可以肯定，随着科技的发展，微波输电一定会在将来大显身手。为控制电磁波对环境的污染，保护人民身体健康，我国卫生部，1989年12月22日颁布了环境电磁波卫生标准（GB9175-88），规定居住区环境电磁波强度限制值。为防止电磁波对长期居住、工作、生活的一切人群(包括婴儿、孕妇和老弱病残者)，均不会受到任何有害影响，对于微波应小于10微瓦/厘米2。在基站与居民区之间应保持足够的卫生防护距离。 二）防止电磁污染根据电磁波随距离衰减的特性，为减少电磁波对居民的危害，应使发射电磁功率大的、可能产生强电磁波的工作场所和设施，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。必须设置在城市内邻近居住区或居民经常活动场所范围内的工作场所或设施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。 应确保设置在市区内各种移动通讯发射基站天线高度高于周围附近居民住宅，天线主发射方向避开居民住宅方向；特别是在幼儿园所、学校校舍、医院等设施周围一定范围内不得建立发射天线。 四、前景：无线能量传输在我国和国际上都是各个国家关注的一个话题，作为一个新兴、高科技的能量利用方案，它在各方面有着不可估量的前景。作为现代化研究建设的生力军，无线能量传输未来发展不仅仅是在输送电力上会异军突起，在生物、医疗等方面也有极大的应用前景：（一）微波输电微波输能在历史上有四个重要的里程碑，而作为无线能量传输的典型代表，主要在如下两个方面: 31975年，美国雷声公司在实验室完成了交流到直流转换效率达54% 的输能系统。系统工作频率2 450兆赫，整流天线直流输出功率为600瓦; 4同在1975年，加州理工学院JPL(JetPropulsion Laborato ry)实验室在野外完成了迄今最大的微波无线输能系统。工作频率2.388GHz，传输距离16km，整流天线面积27m*m，84%的入射微波功率被转换成直流电能，获得了30千瓦的直流输出。微波输能是指在真空中或大气中不借助其它任何传输线或波导来达到能量传递目的一种手段。由微波输能的独特机理可知，电磁渡无线输能具有下列特点：源到负载之间的能量传递可以不借助任何导波系统；能量的传递速度为光速；能量的传递方向可以迅速改变；电磁波在真空中传输没有损耗，在大气中的损耗也可做到很小；由于工作在微波频段，收发端的设备比较小能量在两点之间的传输与两点之间引力势的差别无关。这就在各方面显示了微波输能的优越性。在电力工业中，输变电设备是重要组成部分。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。仅此来看，传统的高压输电与微波输电在设备的投资上差距相当惊人。此外，它在各方面都有优越性。微波输电表现在四中形式：空对地、第9页地对空、空对空、地对地。若在高空用微波供能的静止平台投入使用，则微波地面传输的距离可达数千公里。最近还有人构思了用数颗低轨卫星实现电能大转运的蓝图。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。二）无线电力传输，未来告别电线作为无线能量研究的新领域，无线电力具有很深的潜力和可塑性。目前，美国的世界大国都在进行无线电力的研究方案，泰晤士报及科学等国际性杂志都有相关重要报道。如果这套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。因为，日常生活中应用的很多物体，与电磁场的反应很微弱。假如对于无线电力技术真能让我们彻底摆脱电池、充电器、插座、电源线，那对于电磁场的安全性，就目前科研人员表示，因为它与生物体相互作用很小，不太可能产生严重的副作用。无论是人还是其他生物，无线电力都是很安全的，不会对健康产生任何明显危害。三）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。近年来，国内外开展了无创(微创)体内诊疗系统研究，以色列Given Imaging公司和日本RF System Lab开发的内窥镜胶囊可将胃肠道内的图像发送到体外的接收器。这些系统一般采用电池供能，但是电池含有对人体有害的物质，一旦泄露就会危及病人；另一方面，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”。基于这一点，现代医疗科研人员提出了适于体内微系统的无线供能方案。体内微系统集成微小线圈，在体外合适位置放置发射线圈。通过两线圈间的电磁耦合达到能量传输的目的。四）设想这些用途，主要可以分为两大类：大功率无线输送能量和中小功率输送能量。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，但是在短时间内很难有大的突破。中型功率无线传输能量是最有可能在生活中应用起来的，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