学术讲座之无线电力传输技术2

1无线电力传输技术任晶鼎2015年9月21日2待解决的问题电磁辐射安全问题电磁兼容问题系统整体性能的提高产品推广中的标准统一电力公司如何计费、收费3电磁辐射安全问题传统供电：传输路径上，能量可控。无线通讯：微小功率。无线电力传输：①路径上能量不易控；②能量功率较大。4电磁辐射安全问题危害机理：热效应：人体是导体，接受电磁波而产生涡流，发热。非热效应：人体组织和器官存在微弱电磁场，受电磁波而破坏平衡，影响人体机能。积累效应：高能电磁辐射造成的危害未来得及自我修复之前再次受到辐射，伤害程度就会积累。5电磁辐射安全问题高能量的能量密度势必会对人身安全及健康带来影响。如：地磁场50-60μT，核磁共振0.5-4T；阳光的功率密度一般为100mW/cm2。所以采用无线输电时要考虑避免对人身的伤害。6电磁辐射安全问题电磁感应短程传输低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。会增加电能的消耗；可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。7电磁辐射安全问题电磁耦合共振中程传输“中程”距离：可达感应线圈半径8倍的距离。发射装置与能量源相连，并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，在发射线圈周围形成一个非辐射磁场，即将电能转换成磁场；当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。8电磁辐射安全问题9电磁辐射安全问题电磁耦合共振中程传输能量的传输是在一个共振系统内部进行，对系统外的物体（非共振频率）不会产生影响。一般情况，其磁场强度与地磁场相似，50-60μT10电磁辐射安全问题微波/激光远程传输无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小；电力通过振荡器变换成微波/激光电力，从送电的天线向远处以微波/激光形式无线送电；接收天线由半波长的偶极天线、整流二极管、低通滤波器及旁路电容组成，可接收微波/激光并转为直流电力。11电磁辐射安全问题微波/激光远程传输微波：频率为300MHz~300GHz的电磁波；现有的研究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.8GHz，可穿越云层。激光：3.846*10^(14)Hz到7.895*10^(14)Hz。障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，穿越云层能量损耗大。在接收整流天线口径面以外的区域基本都是符合辐射安全标准的，在接收天线口径面内的辐射相对较强，需要在接收系统外围建立保护禁区。目前一般采用的微波功率密度约为5mW/cm212电磁兼容问题无线能量传输系统在工作时周围空间会存在高频电磁场，这就要求系统本身具有较高的电磁兼容指标。电磁兼容性问题三个因素：电磁干扰源；耦合途径；敏感设备。从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。因此采取有效的抗干扰措施、屏蔽技术、合理使用电磁波不同的频段、避免交叉、重叠等造成不必要的电磁干扰。13微波电磁兼容问题微波：频率为300MHz~300GHz的电磁波；现有的研究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.8GHz，这两个频率已经分配给ITUR无线广播、工业和医学当中使用。同频率间的电磁干扰是必须考虑的。电磁兼容问题14整体性能的提高电磁感应式：包括输入整流、高频逆变、可分离变压器和输出整流滤波等环节。可分离变压器按其原边与副边的相对运动状况又可分为：静止、旋转和相对运动三种形式。15整体性能的提高电磁感应式：满足要求的前提下，缩短传输距离，提高效率；提高原边与副边的横向位置精确度；避免金属异物进入传输线圈之间引起局部发热现象。16整体性能的提高电磁耦合共振式：由RF电路产生与谐振线圈固有频率相同的高频正弦信号，经过线性功率放大之后，注入到发送端LC谐振线圈，经过非辐射性高频磁场耦合，能量传递到接收端谐振线圈，经过输出整流滤波之后为负载供给能量。17整体性能的提高电磁耦合共振式：传输距离一般为8倍线圈距离。缩小铜线圈；增大传输距离。18整体性能的提高微波式：系统先把电能转换成微波（采用的典型频率约为2.4GHZ），经过发射天线将能量由自由空间传递到接收天线,再经过微波整流器件,把微波转换成电能，从而实现无线能量传输。19整体性能的提高微波式：高性能天线；微波源；微波接收整流设备。20整体性能的提高微波式-高性能天线：高方向性天线-八木天线；21整体性能的提高微波式-高性能天线：高方向性天线-反射面天线；22整体性能的提高微波式-微波源：微波电子管在高电压下可以放大较高功率的微波，具有较高的效率（70%）；半导体放大器通常只放大低功率微波，其所需要的电压也比较低，然而它的成本却较高。23整体性能的提高微波式-整流设备：硅整流二极管天线：由一个天线及高频整流电路所构成，高频整流电路能够将微波信号经由肖特基二极管整流成直流电源。如：一个微波吸收效率为85%的硅整流二极管天线，其覆盖直径为5km。24产品标准的统一Qi标准—产生背景设备使用的充电器千差万别，电源插口形式、设备插口形式、电压等级、电流容量均存在较大差异，因此往往每台设备都配有专用的电源转换器，这既产生了极大的浪费和污染。一个充电设备可供各种不同企业、不同品牌的便携终端充电，Qi应运而来。25产品标准的统一Qi标准与无线充电联盟2008年12月17日多家国际电子设备厂商联合成立了无线充电联盟（WPC），目标是制定一种在便携式电子产品--手机、电脑配件、照相机、遥控器、医疗及个人护理等各种电子设备中广泛采用的无线充电技术标准，即Qi标准。该标准于2010年7月制订，2010年8月31日无线充电联盟宣布已向其成员交付了Qi标准的第一部分，并将该标准引入了中国。26产品标准的统一Qi标准的组成及基本原理目前WPC确定的Qi标准1.0版本是低功率技术规范，针对不超过5瓦特的电子设备。针对不超过120瓦特的中等功率技术规范制定工作也已于2010年10月启动。第一部分对无线充电器及接收器的界面进行定义；第二部分和第三部分是对产品的表现要求和认证测试的要求。只有获得认证的产品才能允许使用Qi标识。27产品标准的统一Qi标准的组成及基本原理Qi标准下的无线充电设备包括：可接公共电源的无线充电板；符合Qi标准的接收器。后者可以内置在终端设备中，采用了目前主流的无线电能传输理论---电磁感应式无线电能传输原理。28产品标准的统一一块充电板内部可以有多个变压器原边绕组部分，这决定了一块充电板可同时为多少待充电设备充电的数量。原边绕组和副边绕组分别和无线通信控制单元连接，对能量变换进行检测和控制。29电力计费/收费类似于卫星电视收费