1.无线电能传输原理
现在已经问世的无线供电技术,根据其电能传输原理,大致上可以分为三类:
第一类是非接触式充电技术所采用的电磁感应原理,这种非接触式充电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。这种类型中,将两个线圈放置于邻近位置上,当电流在一个线圈中流动时,所产生的磁通量成为媒介,导致另一个线圈中也产生电动势。
理论和经验都表明:当原边电流频率、幅值越高,原、副边距离越小,与空气相比,磁心周围介质的相对磁导率越大时,可分离式变压器的传输效率越高。但实际应用当中原副边距离不可能无限小,必须对原副边采取相应的补偿措施。
第二类是最接近实际应用的一种技术,它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。微波输能,就是将微波聚焦后定向发射出去,在接收端通过整流天线( rect2enna)把接收到的微波能量转化为直流电能。
这和100年前的收音机原理基本相同:直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用,但不使用放大电路等。同以前相比,这种技术的效率得到提高,并正在推动厂商将其投入实际应用。
第三类是利用电磁场的谐振方法。谐振技术在电子领域应用广泛,但是,在供电技术中应用的不是电磁波或者电流,而只是利用电场或者磁场。2006 年11月,美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。
2.无线电能传输分类
根据能量传输过程中中继能量形式的不同,无线电能传输可分为:磁(场)耦合式、电(场)耦合式、电磁辐射式(如太阳辐射)、机械波耦合式(超声)。其中,磁耦合式是21世纪初研究最为火热的一种无线电能传输方式,也就是将高频电源加载到发射线圈,使发射线圈在电源激励下产生高频磁场,接收线圈在此高频磁场作用下,耦合产生电流,实现无线电能传输。
3.无线电能传输发展历史
最早产生无线输能设想的是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) ,因而有人称之为无线电能传输之父。
1890年,特斯拉就做了无线电能传输试验。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体,把地球电离层作为外导体,通过放大发射机以径向电磁波振荡模式,在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。最终因财力不足,特斯拉的大胆构想没能实现。其后,古博(Goubau) 、施瓦固( Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率,并随后在反射波束导波系统上得到了验证。
20世纪20年代中期,日本的H. Yagi和S. Uda发明了可用于无线电能传输的定向天线,又称为八木- 宇田天线。
20世纪60年代初期雷声公司(Raytheon)的布朗(W. C. Brown)做了大量的无线电能传输研究工作,从而奠定了无线电能传输的实验基础,使这一概念变成了现实。在实验中设计了一种效率高、结构简单的半波电偶极子半导体二极管整流天线,将频率2. 45GHz的微波能量转换为了直流电。
1977年在实验中使用GaAs - Pt肖特基势垒二极管,用铝条构造半波电偶极子和传输线,输入微波的功率为8W,获得了90. 6%的微波———直流电整流效率。后来改用印刷薄膜,在频率2. 45 GHz时效率达到了85%。
自从Brown实验获得成功以后,人们开始对无线电能传输技术产生了兴趣。
1975年,在美国宇航局的支持下,开始了无线电能传输地面实验的5a计划。喷气发动机实验室和Lewis科研中心曾将30 kW的微波无线输送1. 6 km,微波———直流的转换效率达83 %。
在20世纪90年代,新西兰奥克兰大学john Boys教授对电磁耦合感应无线电能传输系统进行了大量理论、建模、控制方面的研究,开启了无线电能传输技术研究的热潮。
1998年, 5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率为82%。前苏联在无线电能传输方面也进行了大量的研究。莫斯科大学与微波公司合作,研制出了一系列无线电能传输器件,其中包括无线电能传输的关键器件———快回旋电子束波微波整流器。
近几年,无线电能传输发展更是迅速。Wildcharge 、Powercast、Sp lashPower、东京大学,相继开发出非接触式充电器。
MIT在2007年6月宣布,利用电磁共振成功地点亮了一个离电源约2m远的60W电灯泡,这项技术被称为WiTricity。该研究小组在实验中使用了两个直径为50 cm的铜线圈,通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振,从而成功点亮了距离电力发射端2 m以外的一盏60W灯泡。
在中国,无线电能传输技术研究起步较晚,始于2002年左右,虽然起步较晚,但是无线电能传输技术的理论研究和产业化发展较快。香港城市科技大学、重庆大学、东南大学、哈尔滨工业大学、天津工业大学、中国矿业大学、华南理工大学、南京航空航天大学均对此有研究。
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