无线能量传输

无线能量传输第1页，共56页，2023年，2月20日，星期六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第2页，共56页，2023年，2月20日，星期六无线能量传输背景主讲人：师威浩第3页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。无线电力传输背景第4页，共56页，2023年，2月20日，星期六长距离的输电线路占用了大量的空间，金属。能否省去？？第5页，共56页，2023年，2月20日，星期六

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。第6页，共56页，2023年，2月20日，星期六2007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。第7页，共56页，2023年，2月20日，星期六2008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！第8页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第9页，共56页，2023年，2月20日，星期六甚至，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。第10页，共56页，2023年，2月20日，星期六无线能量传输原理主讲人：刘兴业任想第11页，共56页，2023年，2月20日，星期六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第12页，共56页，2023年，2月20日，星期六电磁波的产生

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。第13页，共56页，2023年，2月20日，星期六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第14页，共56页，2023年，2月20日，星期六空间传播规律

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。第15页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第16页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第17页，共56页，2023年，2月20日，星期六电磁能量的发射与接收第18页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第19页，共56页，2023年，2月20日，星期六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

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∴经过面积dS的功率将代入得以单元偶极子天线为例，有

第21页，共56页，2023年，2月20日，星期六其中为流经的电流，为单元偶极子的长度所以，可得辐射功率：第22页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第23页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第24页，共56页，2023年，2月20日，星期六天线的方向性函数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。第25页，共56页，2023年，2月20日，星期六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，即第26页，共56页，2023年，2月20日，星期六

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，

第27页，共56页，2023年，2月20日，星期六∴可得

所以在最大辐射方向上有

第28页，共56页，2023年，2月20日，星期六天线的接收接收：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第29页，共56页，2023年，2月20日，星期六无线能量传输问题整合主讲人：李超第30页，共56页，2023年，2月20日，星期六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第31页，共56页，2023年，2月20日，星期六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第32页，共56页，2023年，2月20日，星期六接收天线的面积接收天线的面积需要很大第33页，共56页，2023年，2月20日，星期六电磁波的衰减在介质中的衰减第34页，共56页，2023年，2月20日，星期六电磁波的衰减低损耗介质代入数值后的衰减曲线第35页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第36页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第37页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第38页，共56页，2023年，2月20日，星期六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第39页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。第40页，共56页，2023年，2月20日，星期六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、主射方向合理第41页，共56页，2023年，2月20日，星期六无线能量传输前景主讲人：彭涛第42页，共56页，2023年，2月20日，星期六前景微波输电无线电力传输，未来告别电线医疗诊治第43页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。

第44页，共56页，2023年，2月20日，星期六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。

第45页，共56页，2023年，2月20日，星期六表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。第46页，共56页，2023年，2月20日，星期六空对地、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。返回第47页，共56页，2023年，2月20日，星期六

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。第48页，共56页，2023年，2月20日，星期六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第49页，共56页，2023年，2月20日，星期六三、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，如图示第50页，共56页，2023年，2月20日，星期六2、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”。第51页，共56页，2023年，2月20日，星期六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