无线能量传输研究现状文献综述.doc

无限能量传输研究现状文献综述
摘要： 无线能量传输技术近年来得到了极大的发展，在诸多领域得到了广泛的应用。该技术不依赖于有线的传输媒介，对于有线供电部署困难的场景尤其是人体内部医用装置的供电具有重要的意义。本文将重点介绍无线能量传输技术的发展，传输方式，传输中遇到的问题以及国内外的研究现状。
关键词：无线能量传输；无线供电；电磁耦合；磁场共振
Abstract: In recent years ，wireless energy transmission technology has been a great deal of development, has been widely used in many fields. This technique does not rely on a wired transmission medium, for wired powered deployment difficulties scene especially the power supply of the medical device inside the human body, has important significance. This article will focus on the development of wireless energy transmission technology, transmission mode, the problems encountered in the transmission as well as the research status of the domestic and foreign.
Key words: wireless energy transfer, wireless power supply, Electromagnetic coupling ，magnetic field resonance.
1． 前言
1.1背景简介及其应用
无线能量传输是指通过无线的方式来实现能量从能量源传输到负载的一个过程。事实上，无线能量传输并不是什么新概念，早在1891年，尼古拉·特斯拉就证实了无线能量传输， 2001 年5 月， 法国国家科学研究中心的皮格努莱特(G.Pignolet)， 利用微波无线传输电能点亮40m 外一个200W 的灯泡。2006 年末，物理学教授马林·索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置， 可以点亮相隔7 英尺(约2.1m) 远的60W 电灯泡，能量效率可达到40％。2007年，美国麻省理工学院朝着无线能量传输迈出了革命性的一步，展示了一种能够替代现有笔记本、手机充电的方式，MIT的研究小组将这一概念称之为非辐射电磁场。2008 年8 月的英特尔信息技术峰会(IDF：Intel Developer Forum)上演示了无线供电方式点亮一枚60W 电灯泡，可以在1m距离内隔空给60W 灯泡提供电力，效率高达75%。2008年12月17日，无线充电联盟成立，其使命是为了建立市场广泛采用与所有可再充电电子设备兼容的国际无线充电标准Qi。
无线输电技术应用领域非常广泛，概括起来有以下几个方面：①应用于生物医学：把设备放置于体外，（利用电磁耦合传输能量）对体内设备进行无接触能量传输。②应用于交通运输以及水下、井下：进行海底探测等活动需要这项技术。③应用于机器人的驱动：在关节处，使用旋转变压器，大大提高机器人的灵活性，使机器人的应用更加广泛。④应用于电池充电：比如手机，笔记本电脑，太阳能电池板等。⑤其他，例如可以用于净水器等。如能研发出大功率、远距离的无线能量传输装置，将有可能引起能源领域一场变革。
1.2传输方式介绍
无线能量传输主要通过三种方式：①磁场共振技术，当两个设备具有相同的频率实现共振时，能量将通过无线的方式进行传输；②基于微波或激光的形式进行传输，通过发射以及接收的方式达到传输的目的；③电磁感应，通过变压器，已很直接的直接接触的方式进行传输。
2国内外研究现状
2.1 国外研究现状
国外对无线电能传输技术的研究较早， 20世纪90 年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供电问题，其能量等级、距离、效率等指标都在不断提高。2007年，美国麻省理工学院的科学家们最近完成了一项实验，他们使用两个相距2米的铜线圈，成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60瓦的电灯泡。2008 年9 月，美国内华达州的雷电实验室成功的将800W 电力无线传输到5m 远的距离。2011年3月22日，在东京举行的安防用品展会上，松下就推出了一款可以无线充电的太阳能电池板。2012年9月5号，手机通信厂商诺基亚联合微软发布了一款能够实现无线充电的手机。这些都标志着无线能量传输技术正在一步步走向成熟。
2.2国内研究现状
国内的研究起步较晚，但也取得了一定的成就。2001年，西安石油学院的李宏发表了第一篇关于感应电能传输技术在矿井用感应电力机车上应用的可行性的文章。同年，重庆大学自动化学院孙跃教授开始了对无线电能传输技术及其应用的研究，并且重庆大学与国外的新西兰奥克大学展开了合作，与国内的海尔集团进行合作，进行深层次的学术交流与科技合作。2003年，重庆大学樊华、郑小林、皮喜田、彭承琳等对用于体内诊疗装置的无线能量传输方案进行了研究，这是比较早的一次对于无线能量传输技术在医疗仪器上的应用的探索。随着技术的成熟与进步，越来越多的科研人员与科研机构以及高校开始了对无线能量传输技术的研究，上海交通大学，天津工业大学，华南理工大学等等高校都开始了此项研究。最近的几年，这项技术越来越受到关注，且应用领域越来越广，特别在医疗方面，有着巨大地应用价值，比如基于药囊内窥镜的无线功能系统的研究以及基于无线供能技术的定点施药系统的设计等等研究。总而言之，国内的关于无线能量传输技术的研究在进一步的深入，在研究领域方面也在进一步的扩大。
3 三种传输方式的分析
3.1磁场共振技术
当两个物体在同一频率实现共振时，将实现能量的无线传输。共振感应耦合技术是一种全新的无线供电技术——非辐射电磁能谐振隧道效应，称作“Mitricity”无线供电技术，关键在于利用了非辐射性磁耦合——两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。采用单层线圈，两端各放置一个平板电容器。共同组成谐振回路，减少能量浪费。基于普通电磁感应耦合的非接触电力传输，则是利用数百圈紧密缠绕的线圈，但只能在数毫米的范围才得到60%以上的传输效率。而该系统只是缠绕了5圈粗铜线作为天线的线圈，在进行2m传输时效率约为40%，距离为1m时效率竟高达约90%。共振技术也是一种非常高效率的能量传输方式，两个振动频率相同的物体可以高效的传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。共振技术的传输功率可达到几千瓦，实用于大功率应用，传输距离为3-4米，传输频率需要几到几十赫兹，因此需要对所需频率进行保护。
3.2基于微波或激光的形式进行传输
这种形式的传播的依赖于先进的定向天线收发微波束能量，在接收端依靠高性能接收和整流技术，实现较远距离的无线电能传输。只要合理设计接收机形状，采用高精度定向天线或高质量的平行激光束就可实现远距离传能。通过无线电波可以在微波范围内实现能量定向传输，接收端采用硅整流二极管天线可将微波能量转换回电能。在人体允许的能量密度1mW/cm2 范围内，在直径为10km 的空间中，传递能量可达750MW。无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。因此，可以利用微波或激光来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题有着重要意义。随着经济和社会的发展,能源消耗越来越大, 环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。其中太阳能以其能量高，取之不尽，用之不竭，全天候供应成为能量的最理想来源之一。
3.3电磁感应
基于电磁感应原理的电能传输系统主要由交流电源、一次侧变换器、可分离变压器和二次侧变换器四部分构成。与通常的电力传输系统相比，这里增加了一次侧变换器和二次侧变换器。无接触电能传输系统属于疏松耦合系统，传输性能一般较差，为了提高系统的传输能力，一次侧变换器通常采用高频变换器。可分离变压器是无接触电能传输系统的最重要组成部分，它的性能对于整个系统的稳定、高效起着至关重要的作用。
3.4无线能量传输过程中遇到的问题
在新型能量传输系统中，无线能量传输的效率是值得关注的问题。能量损耗主要包括初级损耗、耦合损耗及次级损耗三大部分。采用软开关技术可以部分解决开关带来的损耗；采用高频传输磁场和合理的变压器结构提高耦合的效果和程度可以有效解决耦合损耗，但目前依然存在研究的空间；能量耦合后还要经过变换后为负载所用，在变换过程中也会存在一部分能量损失。无线能量传输容量和距离是另一个业界关注的焦点。能量无线传输的内容和距离决定新型能量传输模式的应用范围和程度。传输距离增大，耦合效率降低，为了提高效率就必须提高电磁能的频率，传输频率的提高会对传输容量有一定的制约。通过采用科学有效的技术措施，力图使电能具有较大的传输容量和较远的传输距离。安全性和可靠性是能量传递的前提。在新型能量传输系统中包含大功率整流滤波、高频逆变，远距离感应耦合、次级整流滤波等环节，不可避免的存在较强的电磁干扰及能量辐射，对电网及周围用垫设备甚至人体都有可能存在一定程度的负面效应。
4结语
无线能量传输作为一种新的能量传输方式，在很多领域都能有很好的应用，不仅能够应用于轨道交通、海洋勘探、生物医学等方面，而且在以后的发展中还能够应用于工业、国防等方面，是一项具有划时代意义的技术。

参考文献
1 赵相涛.无线输电技术研究现状及应用前景.长沙理工大学电气与信息工程学院.科技信息.
2. 李文君. 无线供电技术的设计与应用. 山东科技大学研究生学院,山东青岛266510. 测评与应用2011 08
3. 杨庆新.陈海燕.徐桂芝.孙民贵.傅为农等. 无接触电能传输技术的研究进展. 电 工 技 术 学 报 2010 07
4. 雷进辉， 杜留峰. 无线能量传输技术的理论研究. 河南科技学院 河南 新乡453003 福建电脑2009 10
5. 朱春波.于春来.毛银花.陈清泉. 磁共振无线能量传输系统损耗分析. 哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院哈尔滨 150001 电 工 技 术 学 报 2012 04
6. 吴辉.邓亚峰.张绪鹏.陈光辉.电磁谐振式无线供电技术的性能研究. 工艺与技术. 2011 年第24 期总第306 期
7. 柏 杨，黄学良，邹玉炜，丁晓辰 基于超声波的无线电能传输的研究.东南大学电气工程学院，江苏南京21009.压电与声光 2011 04
8. 张驰.杨明. 全人工心脏无线能量传输技术研究现状. 上海交通大学仪器科学与工程系，上海 200240 中国医疗器械杂志 2009 06
9. 樊华.郑小林.皮喜田.彭承琳 重庆大学 北京生物医学工程 2004 09
10. 陈亮，王惠南，钟元, 南京航空航天大学 精密仪器及机械系，南京 210016医疗植入式电子系统供电方式的研究进展.生物医学研究 2006 04
11. 刘敬彪.章光.于海滨.陈贻想.无线能量传输耦合器测试平台的研究与实现.2011 06