无线能量传输的现状与未来

《科学研究方法》课程学术报告

无线能量传输的现状与未来

龙啸 2012级电子信息工程 2012141451117

摘要：本文首先分析了无线能量传输（Wireless Power Transer，WPT）技术实现的重要意义，现阶段实现无线能量传输的几种主要方式以及该技术的发展历程。综述了国内外在无线能量传输的研究现状以及随着科技进步，依托于无线能量传输的新技术的发展。

1.引言

无线能量传输是一种无接触的能量传输方式，能量从能量源传输到负载不需要通过传统的传输线来实现。从该技术诞生以来，就因为其自身方便安全，且能够满足某些特殊环境下供电的需求而备受各方关注。在能源传输、信息通信、医疗用具、航空航天等领域有着广阔的前景，尤其是在飞速发展的物联网智能家居方面有着极高的实用价值。

2.前景与需求

能量是构成世界的重要要素之一，人类社会的进步无不伴随着对于能量获取方式和传输方式的改变，无线能量传输技术的出现将会对于许多能量应用领域产生深远影响，为人们的生活带来重大变革。

非接触传输的特点，使WPT技术可以在恶劣的工作环境中对设备供能，如太空、海洋、矿井、峡谷、沙漠等复杂环境。该技术可以通过远程非接触式供电的方式，减少人为进入复杂环境的次数，使得对于灾害多发区域大面积投放传感器检测成为可能。

安全稳定的特点，使得使用了WPT供电的设备减少了线路的使用，无通电接点可以避免触电的危险，无外露电力传送元件避免了外界环境对其的侵蚀，极大地延长了设备的使用寿命。

此外，由于通过无线传输，可以实现“一发多收”的电力传输模式，一个能量源可以同时为多个用电器提供能源。有望在日常的家用电器使用中真正的实现“便捷和智能”。

3.无线能量传输的主要方式

现在常用的WPT技术主要有三种实现方式：电磁感应；磁耦合谐振；微波或光波辐射。

3.1电磁感应方式，利用电磁感应原理进行能量传输，类似于变压器，

在发送和接收端各有一个线圈。发送端连接有线电源，并产生电磁信号，接收端感应到这个电磁信号，得到能量。

电磁感应是由于磁通量的变化产生感应电动势，根据法拉第电磁感应定律：

u=N d∅

dt

，∅=BS3-1

式中：N表示线圈匝数，B表示磁感应强度，S表示横截面积。

由此可见，电磁感应传输的效率与线圈特性，线圈距离，相对位置有关。

3.2磁耦合谐振方式，两个振动频率相同的物体之间能够高效的传输能

量，排列在磁场中的振动频率相同的线圈就可以利用同样的原理来传输能量。

磁耦合谐振的分析主要通过耦合模理论和感应耦合模型来分析。

耦合模理论，通过建立耦合模方程，对于所发送的能量耦合分析。文献[]利用耦合模理论确定传输时使用平面螺旋管的最佳几何结构。

{dα1

dt

=−j(ω1−jΓ1)α1+jkα2

dα2 dt =−j(ω2−jΓ2)α2+jkα1

3-2

式中，α1、α2分别为谐振线圈1、2的场幅值；ω1、ω2是谐振线圈1、2的固有频率；Γ1、Γ2是谐振天线1、2的固有损耗值；k是谐振线圈1、2之间的耦合系数。

感应耦合模型，通过建立系统电路的物理模型，构建整个系统的等效参数进行理论分析。将复杂的电路简化为由L、R、C组成的系统，再根据KVL 方程组进行求解，进而得到传输功率和效率的关系式。

因此，这种传输技术的效率与耦合线圈的拓扑结构，耦合共振频率有极大的关系。

3.3电磁辐射方式，利用天线将微波发射到空间中，再由接收天线接收的能量传输方式。类似于早期使用的矿石收音机。发射端使用微波功率源将直流电转化为微波能量，空间中的微波能量再通过整流天线转换为直流功率供电。

这种技术的关键在于发射源，发射天线和接收整流天线。发射源需要微波功率源，如磁控管、行波管和速调管，通过注入锁相技术，实现频率锁定和相位锁定，来获得更高的效率。发射天线需要具有高聚焦和定向的能力，这也有助于效率的提高。而整流天线技术是微波传输效率提高的又一关注点。

3.4电场耦合方式，作为对于电磁感应的补充，电场耦合无线能量传输

也成为无线能量传输中的一种重要方式。它通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子的方式来传输电能。克服了电磁感应线圈需对准，发热大等缺点。

3.5小结

作为无线能量传输主流的三种方式，它们都有各自的优势与不足。一般来说，电磁感应技术最有实现性，已经应用于许多电子产品，它的优点是能量传输效率高，但是存在传输距离短，线圈对准问题，发热大等问题；电磁波传输能够实现远距离传输，但是现阶段效率过低，另一方面传输过程中的介质也会对电磁波产生影响；磁耦合谐振中和上述两种传输方式，具有中短距离和较高效率的特点，但目前阶段的传输距离和效率距离实际应用还有差距。

4.发展历程及研究现状

1831年M.Faraday发现电磁感应之后，有线传输通过导线来传输电能的方式被人们广为接受。随着时代的进步，这种传统方式已经无法满足人们对于用电器便捷与安全的需求。而电池供电的方式又存在着环保的问题。无线能量传输便应运而生。

Nikola Tesla最早产生了无线输能的想法，并于1899年演示了无导线的高频电流电动机，但因为效率与安全的考虑，这一技术就此搁置。20世纪50年代，Goubau和Schweing等人通过理论推导的方式，证明了自由空间波束导波的传输效率可以达到100%。1964年Raytheon公司通过微波能量传输的方式，完成了2.45GHz微波驱动直升机的实验。4年后，Peter Glaser提出构建太空太阳能电站通过无线传输为地球提供能源的设想。1980年到1990年，无线传输在中小功率和近距离应用上受到人们的关注。2001年5月，法国国家科学研究中心的G.Pignolet利用微波无线传输在40m距离点亮200W 的灯泡。2003年他们又以2.45GHz频率向千米深峡谷底部的村庄点对点供电。

2006年11月，美国MIT的Marin Soljacic与其团队使用电磁共振方式成功在2m的距离点亮一只60W的灯泡，具有很重要的意义。Lockheed Martin公司在2012年研发出激光无线充电系统。