《科学研究方法》课程学术报告无线能量传输的现状与未来龙啸 2012级电子信息工程 2012141451117摘要：本文首先分析了无线能量传输（Wireless Power Transer，WPT）技术实现的重要意义，现阶段实现无线能量传输的几种主要方式以及该技术的发展历程。

综述了国内外在无线能量传输的研究现状以及随着科技进步，依托于无线能量传输的新技术的发展。

1.引言无线能量传输是一种无接触的能量传输方式，能量从能量源传输到负载不需要通过传统的传输线来实现。

从该技术诞生以来，就因为其自身方便安全，且能够满足某些特殊环境下供电的需求而备受各方关注。

在能源传输、信息通信、医疗用具、航空航天等领域有着广阔的前景，尤其是在飞速发展的物联网智能家居方面有着极高的实用价值。

2.前景与需求能量是构成世界的重要要素之一，人类社会的进步无不伴随着对于能量获取方式和传输方式的改变，无线能量传输技术的出现将会对于许多能量应用领域产生深远影响，为人们的生活带来重大变革。

非接触传输的特点，使WPT技术可以在恶劣的工作环境中对设备供能，如太空、海洋、矿井、峡谷、沙漠等复杂环境。

该技术可以通过远程非接触式供电的方式，减少人为进入复杂环境的次数，使得对于灾害多发区域大面积投放传感器检测成为可能。

安全稳定的特点，使得使用了WPT供电的设备减少了线路的使用，无通电接点可以避免触电的危险，无外露电力传送元件避免了外界环境对其的侵蚀，极大地延长了设备的使用寿命。

此外，由于通过无线传输，可以实现“一发多收”的电力传输模式，一个能量源可以同时为多个用电器提供能源。

有望在日常的家用电器使用中真正的实现“便捷和智能”。

3.无线能量传输的主要方式现在常用的WPT技术主要有三种实现方式：电磁感应；磁耦合谐振；微波或光波辐射。

3.1电磁感应方式，利用电磁感应原理进行能量传输，类似于变压器，在发送和接收端各有一个线圈。

发送端连接有线电源，并产生电磁信号，接收端感应到这个电磁信号，得到能量。

电磁感应是由于磁通量的变化产生感应电动势，根据法拉第电磁感应定律：u=N d∅dt，∅=BS3-1式中：N表示线圈匝数，B表示磁感应强度，S表示横截面积。

由此可见，电磁感应传输的效率与线圈特性，线圈距离，相对位置有关。

3.2磁耦合谐振方式，两个振动频率相同的物体之间能够高效的传输能量，排列在磁场中的振动频率相同的线圈就可以利用同样的原理来传输能量。

磁耦合谐振的分析主要通过耦合模理论和感应耦合模型来分析。

耦合模理论，通过建立耦合模方程，对于所发送的能量耦合分析。

文献[]利用耦合模理论确定传输时使用平面螺旋管的最佳几何结构。

{dα1dt=−j(ω1−jΓ1)α1+jkα2dα2 dt =−j(ω2−jΓ2)α2+jkα13-2式中，α1、α2分别为谐振线圈1、2的场幅值；ω1、ω2是谐振线圈1、2的固有频率；Γ1、Γ2是谐振天线1、2的固有损耗值；k是谐振线圈1、2之间的耦合系数。

感应耦合模型，通过建立系统电路的物理模型，构建整个系统的等效参数进行理论分析。

将复杂的电路简化为由L、R、C组成的系统，再根据KVL 方程组进行求解，进而得到传输功率和效率的关系式。

因此，这种传输技术的效率与耦合线圈的拓扑结构，耦合共振频率有极大的关系。

3.3电磁辐射方式，利用天线将微波发射到空间中，再由接收天线接收的能量传输方式。

类似于早期使用的矿石收音机。

发射端使用微波功率源将直流电转化为微波能量，空间中的微波能量再通过整流天线转换为直流功率供电。

这种技术的关键在于发射源，发射天线和接收整流天线。

发射源需要微波功率源，如磁控管、行波管和速调管，通过注入锁相技术，实现频率锁定和相位锁定，来获得更高的效率。

发射天线需要具有高聚焦和定向的能力，这也有助于效率的提高。

而整流天线技术是微波传输效率提高的又一关注点。

3.4电场耦合方式，作为对于电磁感应的补充，电场耦合无线能量传输也成为无线能量传输中的一种重要方式。

它通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子的方式来传输电能。

克服了电磁感应线圈需对准，发热大等缺点。

3.5小结作为无线能量传输主流的三种方式，它们都有各自的优势与不足。

一般来说，电磁感应技术最有实现性，已经应用于许多电子产品，它的优点是能量传输效率高，但是存在传输距离短，线圈对准问题，发热大等问题；电磁波传输能够实现远距离传输，但是现阶段效率过低，另一方面传输过程中的介质也会对电磁波产生影响；磁耦合谐振中和上述两种传输方式，具有中短距离和较高效率的特点，但目前阶段的传输距离和效率距离实际应用还有差距。

4.发展历程及研究现状1831年M.Faraday发现电磁感应之后，有线传输通过导线来传输电能的方式被人们广为接受。

随着时代的进步，这种传统方式已经无法满足人们对于用电器便捷与安全的需求。

而电池供电的方式又存在着环保的问题。

无线能量传输便应运而生。

Nikola Tesla最早产生了无线输能的想法，并于1899年演示了无导线的高频电流电动机，但因为效率与安全的考虑，这一技术就此搁置。

20世纪50年代，Goubau和Schweing等人通过理论推导的方式，证明了自由空间波束导波的传输效率可以达到100%。

1964年Raytheon公司通过微波能量传输的方式，完成了2.45GHz微波驱动直升机的实验。

4年后，Peter Glaser提出构建太空太阳能电站通过无线传输为地球提供能源的设想。

1980年到1990年，无线传输在中小功率和近距离应用上受到人们的关注。

2001年5月，法国国家科学研究中心的G.Pignolet利用微波无线传输在40m距离点亮200W 的灯泡。

2003年他们又以2.45GHz频率向千米深峡谷底部的村庄点对点供电。

2006年11月，美国MIT的Marin Soljacic与其团队使用电磁共振方式成功在2m的距离点亮一只60W的灯泡，具有很重要的意义。

Lockheed Martin公司在2012年研发出激光无线充电系统。

而无线能量传输技术在国内的起步较晚，1994年，电子科大的林为干院士第一次引入微波输能技术到国内。

随后，中科院电工所开始相关的理论研究。

1998年，上海大学利用微波输能实现了对于管道机器人的供能。

2007年重庆大学的孙跃教授研制出了感应耦合无线输电装置，实现同时向多个设备的600到1000W电能传输，效率可达70%。

2009年四川大学使用平面天线和接收整流阵列实现200m的长距离微波输能实验。

2013年3月中科院上海微系统所实现了0.6m距离的磁共振能量传输，效率达50%。

伴随着实验室研究的脚步，无线能量传输的应用也逐渐出现在我们的日常生活中。

电磁感应作为现阶段最主流的无线输电方式，已经有无线充电标准QI 的发布。

从理论上解决了使用这种输电方式的通用性问题。

基于这种方式的电动牙刷、手机、手表等小型化充电产品已经可以使用，而随着大功率标准的制定，对于电动汽车的电磁感应充电应用也被许多汽车公司纳入研发范围。

自从，MIT的实验对外公布以来，电磁谐振的充电方式因为它在距离和效率上的优势而受到各方的关注，可以说是十分具有潜力的无线能量传输方式，美国威斯康辛大学设计验证了磁耦合谐振的等效电路模型，为这种能量传输方式应用于电动汽车行业提供依据；新加坡微电子研究院的R.F.Xue等人也基于这项技术设计出了生物移植的磁耦合谐振输能装置；而中国长虹公司最新的无尾电视也是采用这种无线能量传输方式。

而微波无线能量传输在太空空间传输中应用前景广泛，是实验室研究无线能量传输研究的重点。

美国的Glasr早在1968年就提出在地球同步轨道上建立太阳能发电装置，将太阳能转换成电能，通过微波定向辐射到地球供能；关于微波供能无人机的研究也是许多国家和武器公司的重要科研对象。

5.未来展望对于无线能量传输的深入研究必将对我们的未来生活产生深远影响。

5.1集成小型化，电磁感应之外的两种供能方式虽然在距离上更具优势，但是接受发射装置往往庞大，未来无线供能会广泛应用于传感器等小型化的检测电子器件上，那么，能够小型集成化、收发一体化的装置就显得极为重要。

5.2安全可证化，对于电磁场对于人体的危害研究一直处于不够明朗的地步，由于电磁场影响可能需要在长时间的试验下才能被验证的关系，公众对于这方面的知识知之甚少。

未来无线供能很有可能会应用于大功率发射的场合，如果无法消除公众的恐惧心理，这一技术的发展就会受到阻碍。

5.3装置智能化，在未来的适用场合中，不只需要整个装置能够实现简单的能量传输，还需要装置能够实现自动识别和监控的能力，能够智能的屏蔽同等装置的干扰。

5.4功能多样化，无线能量传输与无线信息传输的结合也是未来研究的重点，怎样在同一信道中实现能量和信息的并行传输，怎样实现在接收端的分离将会是无线携能通信发展的重要要素。

试想，在未来，有WIFI的地方就能充电，有无线电力供应的地方就有网络。

6.结论在比较具体的综述了无线能量传输的整个过程和技术原理之后，介绍了这一技术在未来的发展方向。

无线能量传输所带的便利和能量传输过程的非接触特性使得它在未来的智能家居物联网，远程医疗，太空探索中都具有极为广泛的应用前景。

因此，依托于无线能量传输的各项技术都值得我们去做进一步的探索。

参考文献（References）[1].郑祖翔，吴乐南（2013）无线携能通信研究进展无线通信，3,155-163[2].白明侠，黄昭（2010）无线电力传输的历史发展及应用湘南学院学报，31,5[3].黄吉金，黄珊（2012）微波能量传输技术及其应用发展方向微波学报，S2，003[4].范兴明，莫小勇，张鑫（2013）磁耦合谐振无线电能传输的研究现状及应用电工技术学报，28,12[5].马海虹，石德乐（2012）模块航天器间微波无线能量传输技术应用前景及发展建议空间电子技术，04,001[6].赵相涛（2011）无线输电技术研究现状及应用前景科技信息，10,122-123[7].刘长军，李凯，黄卡玛（2011）微波输能技术研究进展昆明理工大学学报，36,19-22。