无接触电能传输技术的研究进展及应用前景

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1、无接触输电技术的研究进展及应用前景展示分为：无接触输电之感应耦合篇无接触输电之远场辐射篇四五三一六二无接触输电之共振磁耦合篇引言无线输电之历史前景展望?概念利用无线电技术传输优点省去电缆成本减少电阻消耗问题效率低有效距离短技术电磁感应耦合共振磁耦合远场辐射技术历史早在1899年交流发电机的发明者NikolaTesla就开始从事无接触输电的研究。随后在纽约附近的长岛建造的WardenclyffeTower（TeslaTower）进行了无线功率传输实验，在没有传输线的情况下点亮25英里以外的氖气照明灯。长岛实验（TheLongIslandE

2、xperiment)1968，PeterGlaser提出了利用太阳能动力卫星向地面传输功率的想法。2007年，麻省理工大学的一组科学家宣布：他们用两米开外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡。这是一个了不起的突破。现状三种电能无接触式传输方式1.感应耦合技术2.共振磁耦合技术3.远场辐射技术1.感应耦合技术感应耦合技术通过相对很直接的接触来进行能量传输，主要应用于近距离的能量传输。典型应用是可分离式变压器，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。系统结构图如图所示。它利用了感应耦合系统和电力电子技术

3、相结合的方法，实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器的紧密型耦合磁路分开,初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上,实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接。其基本原理为麦克斯韦方程组，积分形式为：传输效率：理论和经验都表明:当原边（初级）电流的频率、幅值越高,原边、副边的距离越小，铁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。但实际应用当中原边、副边的距离不可能无限小,必须对原副边采取相应的补偿措施。所以电能传输效率较低。感应耦合技术的优点在于原理简单，容易实现，近距离能量传输效率高，可高达99%。但是

4、缺点在于传输距离近，对位移和频率变化的稳定性差。需要一次、二次线圈尽量保持在对齐状态，一旦出现相对位移，效率会急剧下降，而且电磁污染较严重。可以应用于传输功率不大，相对位置基本不变的场合，例如手机无线充电，电磁炉等。2.共振磁耦合技术共振磁耦合的理论依据在于：如果两个振荡电路具有相同频率，那么在波长范围内，是通过近场瞬逝波耦合。感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内允许能量高效地从一个物体传到另一个物体。由于共振波长远远大于振荡器尺寸，所以可以不受附近物体的影响。理论依据：图为共振磁耦合系统的原理图。系统由以下几部分组成：两个具有相同谐振

5、频率的谐振器、驱动电路和输出电路。高频交流信号输入到驱动电路，驱动源振荡器通过电磁感应从驱动电路获得能量，通过磁场共振强耦合，能量通过“隧道”被传递到接收器，与负载直接相连的输出电路通过电磁感应获得能量。系统设计基础在于两个振荡电路之间重叠存在的瞬逝波耦合。不同于远场的损耗辐射，这里属于近场无损非辐射共振耦合。虽然Source和Device之间的非辐射耦合随两者距离有所衰减，但是从理论上说，未被负载吸收的部分能量会返回发射端，从而不会对效率影响很大。建立如图所示的线圈耦合电路模型。若传输系统角频率为ω，列KVL回路方程可求出线圈、等效回

6、路电流：（1）（2）从式(1)、(2)可知，耦合到的阻抗及耦合到阻抗分别为，。当线圈、处于自谐振状态时，两反射电抗均为0，此时两回路的反射阻抗分别为，，则谐振耦合后、两线圈为纯电阻回路，其发射线圈回路等效阻抗和接受线圈回路等效阻抗分别为：(3)(4)线圈的输入功率及负载电阻上的输出功率可分别表示为：(5)(6)则两线圈之间的传输效率为：(7)当、同时发生自谐振，即两线圈谐振耦合，，，则谐振耦合能量传输效率为：(7)结果说明无线传输系统中，发生谐振耦合时，线圈回路的等效阻抗最低，线圈中流过的电流最大，因此传输功率最大，效率最高。3.远场辐

7、射技术远场就是远远大于发射接收设备尺寸的千米计的电能传输距离。对于远距离输电，现在主要都是有线高压传输。然而，远距离有线传输成本高，能量损失大，消耗资源多，所以，电能远距离无线传输势必会成为发展的趋势。远场电能传输，有普通的地面电能传输，有太空-地面-地面电能传输等几个应用。地面电能传输，需要定向性好，穿透能力强，能量集中。电磁波谱中，激光以及微波都符合要求，然而，激光成本高，易受天气影响，所以我们选择微波作为载能波。我们所需要的微波一．普通的地面电能传输。布朗的微波传输系统在地面上，传输装置大概分成三部分：微波源，发射天线，接收天线三

8、部分。微波源内有磁控管,能控制源在2.45GHz频段输出5~200W的功率;微波源输出的能量通过同轴电缆连接至和波导管之间的适配器上;亚铁酸盐的循环器连接在波导管上,使波导管和发射天线相匹配。这种开孔的波导