谐振无线电能技术能走多远

1、谐振无线输电技术能走多远谐振无线输电技术能走多远2014.1.7张波张波 华南理工大学华南理工大学 1 1、疑问、疑问2 2、原理是否正确、原理是否正确3 3、可能的极限参数、可能的极限参数4 4、一些思考、一些思考5 5、结论、结论内容内容3产业界的疑问：产业界的疑问： 什么时候技术可以产业化？什么时候技术可以产业化？1 1、疑问、疑问大众的疑问：大众的疑问： 对人体是否有害？对人体是否有害？学术界的疑问：学术界的疑问： 原理是否正确？原理是否正确？ 距离、效率、功率、电磁危害？距离、效率、功率、电磁危害？4MITMIT研究的疑问：研究的疑问：（1 1）为什么距离只有）为什么距离只有2m?2

2、m?（2 2）为什么效率只有）为什么效率只有40%40%？（3 3）为什么功率只有）为什么功率只有60w60w？（4 4）为什么谐振频率是）为什么谐振频率是9.9MHz?9.9MHz?（5 5）为什么线圈半径大于）为什么线圈半径大于0.25m?0.25m?（6 6）为什么品质因数是）为什么品质因数是960960？1 1、疑问、疑问2 2、原理是否正确原理是否正确感应谐振耦合感应谐振耦合强自谐振耦合强自谐振耦合改进感应谐振耦合改进感应谐振耦合基本方式基本方式l 类似于机械共振、声共振原理，通过能量类似于机械共振、声共振原理，通过能量 不断集聚，实现无线电能传输不断集聚，实现无线电能传输l 在弱耦

3、合情况下，通过谐振，增大电流，在弱耦合情况下，通过谐振，增大电流， 提高磁密，实现无线电能传输提高磁密，实现无线电能传输2 2、原理是否正确原理是否正确物理解释物理解释l 磁场在线圈间发生反射，进入磁场在线圈间发生反射，进入回音壁模回音壁模 式，式，增大了耦合磁场，实现无线电能传输增大了耦合磁场，实现无线电能传输发射线圈产生的近场发射线圈产生的近场2 2、原理是否正确原理是否正确工作环境工作环境3211HrEr 近场中的磁场和电场大小：近场中的磁场和电场大小：或或2311HrErl 耦合模理论耦合模理论2 2、原理是否正确原理是否正确分析方法分析方法l 变压器模型变压器模型l 二端口模型二端口

4、模型将无线输电系统用它们相应的外特性参将无线输电系统用它们相应的外特性参数电压和电流表示数电压和电流表示将频率较低、集中参数描述的无线输电将频率较低、集中参数描述的无线输电系统用变压器耦合方程表示系统用变压器耦合方程表示将无线输电系统用能量耦合方程表示将无线输电系统用能量耦合方程表示2 2、原理是否正确原理是否正确2SDMkL LSSSDHJtSDDHEt 工作过程工作过程SSDDaa212SSSaL I212DD DaL I- -= =耦合模耦合模2 2、原理是否正确原理是否正确MS SSU IDD DSU I工作过程工作过程22s sD DI rI rcosSSPU I2DD LPI r-

5、 -= =变压器变压器2 2、原理是否正确原理是否正确SGDL工作过程工作过程11122122SSSS ，22+1-1-Sss2222-DSss- -= =+1-1ss22+1-1-Sss+22ss2222-DSss二端口二端口3 3、可能的极限参数可能的极限参数近场范围近场范围：=cfS=2cfMIT的近场距离的近场距离863 10=4.777=30 )26.28 10 10cSmmf（距离能有多远？距离能有多远？波阻抗波阻抗=EZH波阻抗恒定波阻抗恒定近场距离近场距离波长波长1MHz50MHzSMax=47.77m3 3、可能的极限参数可能的极限参数耦合系数有多大？耦合系数有多大？互感互感

6、M21 2SMI(2)SDSDkML L耦合系数耦合系数SDSkM L2SDSDSDkLGLk1060,0SDRR100%3 3、可能的极限参数可能的极限参数效率能有多大？效率能有多大？22()100%()()() WDWSDWMRRRRRRM0SR 线圈电阻线圈电阻辐射电阻辐射电阻0DR 线圈电阻线圈电阻100%理想情况理想情况3 3、可能的极限参数可能的极限参数功率能有多大？功率能有多大？SDQMI I=MaxPQ22()WSDMaxWRUMPR接收线圈电阻功率接收线圈电阻功率线圈间能够传输功率越大线圈间能够传输功率越大负载功率不一定大？负载功率不一定大？3 3、可能的极限参数可能的极限参

7、数 电磁辐射水平大概和核磁共振仪类似，应该是电磁辐射水平大概和核磁共振仪类似，应该是在安全范围之内在安全范围之内 由于人的相对磁导率为由于人的相对磁导率为1 1，故磁耦合谐振对人体，故磁耦合谐振对人体几乎没有影响几乎没有影响辐射能有多大？辐射能有多大？4 4、一些思考、一些思考思考思考1 1：分析方法的精确化：分析方法的精确化传输线理论分析传输线理论分析传传输输空空间间l发射系数发射系数l阻抗匹配阻抗匹配模型、参数关系模型、参数关系谐振无线输电思想：谐振无线输电思想： 无线通过近场磁谐振，在电源与负载之间建立无线通过近场磁谐振，在电源与负载之间建立一条低电磁损耗、无形的输电通道。一条低电磁损耗

8、、无形的输电通道。4 4、一些思考、一些思考高压交直输电思想：高压交直输电思想： 通过高电压，在电源与负载之间建立一条低电通过高电压，在电源与负载之间建立一条低电阻损耗、有形的输电通道。阻损耗、有形的输电通道。思考思考2 2：与高压交直输电类比：与高压交直输电类比4 4、一些思考、一些思考谐振无线输电与高压交直输电比较谐振无线输电与高压交直输电比较类型谐振无线输电高压交直输电原理近场谐振电压升高参数功率损耗热损耗、辐射损耗影响因素研究方法麦克斯韦方程电路理论SEHSUIf2rPI rUf U 传输功率提高传输功率提高传输距离下降传输距离下降建造难度下降建造难度下降传输效率提高传输效率提高传输功

9、率提高传输功率提高传输距离提高传输距离提高建造难度增加建造难度增加传输效率提高传输效率提高5 5、结语、结语（1 1）进一步开展谐振无线电能传输量化）进一步开展谐振无线电能传输量化 分析分析（2 2）现阶段研究可能的突破）现阶段研究可能的突破 A A、利用新材料制造线圈（、利用新材料制造线圈（减少线圈尺、提减少线圈尺、提 高效率高效率） B B、改变天线几何形状（、改变天线几何形状（提高方向性、距离提高方向性、距离 和效率和效率） C C、利用、利用“超材料超材料”制造线圈（制造线圈（改变近场特改变近场特 性，提高效率和方向性性，提高效率和方向性） D D、基于波导原理设计发射线圈（、基于波导

10、原理设计发射线圈（提高效率提高效率） E E、谐振频率的稳定及跟踪控制、谐振频率的稳定及跟踪控制近期可能的研究方向：近期可能的研究方向：215 5、结语、结语数百数百W W、几米以内、几米以内、50%50%效率以上、效率以上、1MHz1MHz左右谐振无左右谐振无线电能传输技术及实用化有可能实现？线电能传输技术及实用化有可能实现？能走多远？能走多远？受原理的限制，多个参数之间的相互制约，实现大受原理的限制，多个参数之间的相互制约，实现大规模无线电能传输现阶段难以实现？规模无线电能传输现阶段难以实现？新的无线电能传输原理及技术出现新的无线电能传输原理及技术出现225 5、结语、结语20112011年诺贝尔年诺贝尔化学奖获得者化学奖获得者准晶体准晶体Daniel Shechtman双料诺贝尔奖获得者双料诺贝尔奖获得者 PaulingPauling，在，在NatureNature发文抨击准晶的发现是：发文抨击准晶的发现是：PaulingThis is a nonsense!信心：无线输电也许就是下一个准晶体的发现信心：无线输电也许就是下一个准晶体的发现235 5、结语、结语 许多年以后，人